MEMS蘭姆波諧振器驅(qū)動的石墨烯場效應管

梁?驥，孫?晨

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MEMS蘭姆波諧振器驅(qū)動的石墨烯場效應管

梁?驥，孫?晨

(天津大學精密儀器測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072)

隨著消費者對電子器件要求的提高，電子器件需要在面積不變的情況下拓展與優(yōu)化功能．一個典型的案例是將壓電MEMS諧振器與IC電路集成，諧振器驅(qū)動的晶體管可以表現(xiàn)出獨特的性能．之前研究的器件基本都是基于表面波諧振器，但器件頻率低，體積大，無法利用半導體工藝將二者集成在一起．為解決上述缺點，設計制作了一種由MEMS蘭姆波諧振器驅(qū)動的石墨烯場效應管．借助聲電流效應，MEMS諧振器產(chǎn)生的蘭姆波將石墨烯中的載流子進行了傳輸，設置于聲波傳播路徑上的一對電極可以檢測出電流值，且底部的柵極可以調(diào)節(jié)電流的大?。ㄟ^仿真，預測了諧振器的工作模式，在3GHz以內(nèi)主要有A0、S0、S13種工作模式．經(jīng)過微加工技術(shù)得到的蘭姆波諧振器電學特性與仿真吻合，且A0、S0、S1這3種模式都成功驅(qū)動石墨烯產(chǎn)生了聲電流，其中，2.9GHz(S1模式)是已有報道中能夠激發(fā)出聲電流的最高頻率．以S0模式激發(fā)的聲電流為主要研究對象的結(jié)果表明：聲電流大小與輸入射頻功率呈正相關(guān)性，但由于諧振器功率承載能力有限，二者表現(xiàn)出了非線性關(guān)系；柵極電壓由于改變了石墨烯中載流子遷移率與電導率，最終成功調(diào)制了聲電流的大??；蘭姆波諧振器驅(qū)動石墨烯晶體管工作頻率更高，體積更小，成功驗證了一種新的芯片集成的方法．

微機電系統(tǒng)；蘭姆波諧振器；石墨烯場效應管；聲電流效應

電子器件作為電子設備的基本元素，被廣泛應用于生活中的方方面面[1]．隨著人們對電子器件要求的提高，一些芯片制作新思想被提了出來，其中一種叫做超越摩爾技術(shù)，該技術(shù)旨在不增加電子器件體積的情況下器件的集成度更高且功能更多樣．

將微諧振器和集成電路相結(jié)合是超越摩爾技術(shù)的一種典型體現(xiàn)[2]，將兩者片上集成后，芯片功能不但可以得到拓展，且借助二者之間配合，部分性能還能得以提升．聲電流效應非常有助于實現(xiàn)該目標，該效應可以將壓電聲波諧振器與石墨烯場效應管(field effect transistor，F(xiàn)ET)結(jié)合在一起，諧振器和石墨烯FET不但可以發(fā)揮各自特性，二者還可以耦合，聲波驅(qū)動的石墨烯場效應管甚至可以做到柵極將電流完全關(guān)斷[3-4]，這是普通石墨烯FET無法做到的．

聲電流效應最早報道于1953年，來自于麻省理工大學的研究人員通過理論計算第1次預測出聲波可以與金屬或半導體內(nèi)載流子發(fā)生作用并最終產(chǎn)生電流[5]．后來，人們相繼證明，聲波在2DEG[6]、一維納米材料[7-8]、二維納米材料[9-11]等材料中均可以激發(fā)聲電流．石墨烯是二維材料的典型代表，由于其具備極高的電子遷移率，目前大部分與聲電流相關(guān)的研究都集中在這種材料上．最早發(fā)現(xiàn)石墨烯內(nèi)可以產(chǎn)生聲電流的是利茲大學的研究人員[12]，他們利用聲表面波(surface acoustic wave，SAW)諧振器成功驅(qū)動石墨烯產(chǎn)生了電流．之后，研究人員又相繼研究了石墨烯中的聲電流對光[13]、溫度[14]、氣體[15-16]等的響應.但是要構(gòu)成完整的FET，必須要有柵極結(jié)構(gòu)．然而，由于上述SAW器件都是使用鈮酸鋰(LiNbO3)或鉭酸鋰(LiTaO3)等體材料制作的，這些材料厚度通常在幾百微米，如果把這些材料當作石墨烯FET的介電層，且在材料底部施加柵極電壓，則過厚的介電層會嚴重削弱柵極電壓的調(diào)制能力．目前常用的引入柵極的方案是在石墨烯上面滴加離子凝膠電解液或者其他液體，由液體作介電層[3-4,17-18]，在液體上部施加參考電壓作為柵極電壓，但是這種器件制作方法與互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)工藝不兼容，無法做到片上集成，所以，最好的辦法是采用硅基的壓電聲波器件，柵極電壓可以直接施加在硅基底部或者內(nèi)嵌的柵極電極．本課題組之前成功做到了將硅基的SAW器件與石墨烯FET的片上集成，且柵極電壓成功調(diào)控了聲電流的大小[19]．但是，由于瑞利波波速較低，器件的工作頻率只能達到幾百兆赫茲．隨著人們需求的提升，新頻段的頻率也越來越高．蘭姆波由于波速更高，蘭姆波諧振器(Lamb wave resonator，LWR)驅(qū)動的石墨烯FET有利于成為更高頻率的器件．另外蘭姆波頻散特性比SAW更豐富，可以提供更多種類的工作模式，更有利于器件發(fā)揮多功能[20]．

本文設計并制作了一種LWR驅(qū)動的石墨烯FET．利用有限元仿真，預測了LWR的工作特性，之后利用微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)技術(shù)制作得到了LWR．其中，柵極嵌在了壓電層下方，單層石墨烯被轉(zhuǎn)移到了LWR中心．最終，測試得到了A0、S0、S13種模態(tài)，與仿真相符，且每種模態(tài)都可以激發(fā)石墨烯產(chǎn)生聲電流．以S0為主要研究對象性，發(fā)現(xiàn)聲電流大小與輸入LWR的射頻功率呈正相關(guān)，但并不具備線性，在這方面與SAW的結(jié)果不同[12,19]．由于柵極電壓改變了石墨烯的載流子遷移率與電導率，從而成功調(diào)制了聲電流的大?。撈骷芎玫伢w現(xiàn)了超越摩爾的思想，對下一代芯片研發(fā)具有很好的借鑒意義．

1?器件的設計與制造

LWR驅(qū)動石墨烯場效應管的器件如圖1所示.射頻信號施加在一側(cè)叉指電極(interdigital trans-ducer，IDT)上，另外一側(cè)IDT讀出信號，可以檢測聲波特性．IDT兩側(cè)的空氣反射珊可以將聲波反射回去，減少能量泄漏；同時，空氣反射柵還充當釋放底部犧牲層的通道．柵極電極位于AlN下方，此時AlN既是聲波器件的壓電層，又是晶體管的絕緣層．聲波可以經(jīng)過石墨烯將能量傳輸給石墨烯中的載流子(電子或空穴)，載流子從漏極運動到源極，從而源漏極之間形成可以被檢測到的電流．柵極電壓可以控制載流子濃度，進而改變聲電流的大?。疄榈玫礁叩闹C振頻率，波長周期要盡可能短，本實驗室的最低光刻線寬可以達到1.5μm，為保證最優(yōu)的電極覆蓋率，IDT電極寬度設計為2.5μm，電極間縫隙寬度為1.5μm，則IDT電極周期為4μm，聲波波長為8μm.為保證可以產(chǎn)生較強的信號，電極孔徑設定為100μm．

借助有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics?，對蘭姆波諧振器特性進行研究．為保證諧振器具有較高的機電耦合系數(shù)，且考慮到設備實際加工能力，AlN厚度設計為1.5μm，如圖2所示．選擇2D壓電模塊，AlN被賦予壓電材料屬性，Mo作為電極，被賦予彈性材料屬性．為節(jié)省計算時間與計算機內(nèi)存，只模擬一個周期內(nèi)的情況，AlN兩側(cè)被賦予周期邊界?條件．

圖1?蘭姆波諧振器驅(qū)動石墨烯FET的器件示意

通過掃描頻率計算，在3GHz以內(nèi)得到了3個主要的諧振模態(tài)，這3個諧振模態(tài)的頻率-阻抗特性曲線分別如圖3(a)～(c)所示，這3個模態(tài)的串聯(lián)諧振頻率分別為341MHz、1.21GHz、2.96GHz．將這3個模態(tài)的振動位移(絕對值)畫出，分別如圖3(d)～(f)所示，這些振動模態(tài)與A0、S0、S1的振動特點相符.

圖2?AlN蘭姆波諧振器的仿真模型示意

圖3?仿真得到的蘭姆波諧振器的電學響應與振動位移

器件的加工流程如圖4所示．首先，利用反應離子刻蝕技術(shù)在硅基底刻出空腔(圖4(a))，該空腔保證了AlN與硅基底分離，從而可以形成蘭姆波的邊界條件．然后，利用化學氣象沉積技術(shù)沉積磷硅玻璃填滿空腔(圖4(b))．利用化學機械拋光將表面平坦化，在表面磁控濺射沉積100nm鉬電極，利用反應離子刻蝕將鉬刻出柵極形狀(圖4(c))．在表面通過磁控濺射依次沉積1.5μm 的AlN和100nm的Mo(圖4(d))．利用反應離子刻蝕將Mo刻蝕成IDT、源極和漏極的形狀(圖4(e))．刻蝕AlN，形成空氣反射柵(圖4(f))．蒸鍍金，并通過剝離方式形成圖形，剩余的金主要附著在源極、漏極、引線區(qū)域上(圖4(g))．最后，轉(zhuǎn)移并刻蝕石墨烯，保證只有中間源極和漏極部分附著有石墨烯(圖4(h))．

石墨烯的轉(zhuǎn)移與刻蝕詳情如下．石墨烯購買于ACS Material?，成品附著于硬質(zhì)基底上，石墨烯上表面存留有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，用鑷子將承載石墨烯的基底緩慢浸入清水中，此時由于PMMA的浮力作用，石墨烯浮于水上；用鑷子夾取前一步制作好的芯片撈取石墨烯，保證石墨烯可以覆蓋源極和漏極．將芯片置于熱板烘烤，溫度為120℃，烘烤10min，保證水分充分蒸發(fā)．將芯片置于丙酮溶液中，將PMMA充分溶解，之后用清水沖洗干凈，再置于熱板120℃烘烤10min，保證芯片徹底干燥．然后在芯片表面旋涂新的低分子量的PMMA，此PMMA為保護層．旋涂速率為6000r/min，旋涂時間1min．旋涂完成后置于熱板烘烤，烘烤溫度175℃，時間5min．之后繼續(xù)旋涂光刻膠(S1813)，旋涂速率、時間同上，旋涂完成后烘烤，烘烤溫度120℃，時間1min．完成后進行曝光、顯影．石墨烯的圖形化目的是為了讓石墨烯與IDT等其他電極隔絕，只與源極、漏極接觸，不影響諧振器的工作．曝光顯影完成后，對石墨烯進行干法刻蝕，使用的氣體是O2離子，功率70W，刻蝕4min．此時，未被保護的石墨烯和PMMA均被刻蝕掉．最后用丙酮去膠，用清水沖洗，并用N2吹干．

圖4?器件的加工流程示意

2?器件的測試

器件制作完成后，利用光學顯微鏡和電子掃描顯微鏡對器件進行觀察．圖5(a)展示了器件在光學顯微鏡下的照片，可以觀察到，器件加工完好，器件實際尺寸基本達到設計尺寸要求．IDT周期間距為4μm，對應的波長為8μm，IDT孔徑為100μm，每組IDT有25對電極，兩組IDT之間的中心間距為304μm，源極、漏極位于器件中心，二者電極寬度為15μm，間隔10μm．圖5(b)展示了器件的SEM圖，可以看到底下的空腔完全釋放，器件完全懸空．相比于SAW器件的金屬反射柵，LWR器件的空氣反射柵節(jié)省了更多的空間，器件整體尺寸大大減少，更有利于器件的小型化．圖5(c)展示了石墨烯區(qū)域的SEM圖，可以看出石墨烯刻蝕完好，石墨烯晶體管的溝道長度為10μm，寬度為100μm．圖5(d)展示了IDT的SEM圖，可以看出電極刻蝕完好，電極之間沒有短路．

圖5?LWR驅(qū)動石墨烯FET的照片

接下來測試器件性能，先分別單獨測試LWR和石墨烯FET，然后再測試蘭姆波驅(qū)動的石墨烯FET的特性．測試使用2組GS探針，探針連接矢量網(wǎng)絡分析儀，進行SOLT校準后，2組探針分別接觸器件的2組測試端口，從網(wǎng)絡分析儀中讀取、記錄參數(shù)．在10MHz～3GHz頻段內(nèi)，器件的透射系數(shù)曲線21如圖6所示，在此頻段內(nèi)總共觀察到3個諧振模態(tài)，這與仿真結(jié)果相符．3個模態(tài)分別為A0、S0、S1，取每個模態(tài)的21極大值可以得到三者的諧振頻率依次為356MHz、1.337GHz、2.895GHz．因為蘭姆波波長為8μm，可以得到三者的波速依次為2848m/s、10696m/s、23160m/s，其中S0和S1模式的蘭姆波波速比AlN中的SAW顯著提高，這更有利于制造更高頻率的器件．

利用直流探針測試石墨烯晶體管的特性．探針連接半導體分析儀，3個探針分別接觸器件的漏極、源極和柵極．石墨烯FET的輸出特性曲線如圖7(a)所示，漏極電壓從-10mV掃描至10mV，每次掃描時的柵極電壓分別為-60V、-30V、0V、30V和60V，每次掃描得到的漏極電流被記錄下來．

圖6?實測得到的雙端口LWR的透射系數(shù)

圖7?測試得到的石墨烯FET的電學特性

可以看出，石墨烯具備良好的電阻特征，且柵極電壓可以有效調(diào)節(jié)石墨烯的電阻率．石墨烯FET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖7(b)所示．漏極電壓為1mV且恒定，柵極電壓從-60V掃描至60V，漏極電流被記錄下來．可以看出，漏極電流隨著柵極電壓的增大而減小，表明石墨烯具有顯著的p型半導體特性，參與導電的多數(shù)載流子為空穴，這主要是由空氣中的水分子等物質(zhì)對石墨烯進行了p型摻雜導致[12, 21]．

接下來，測試LWR驅(qū)動石墨烯FET的性能．器件被固定在一個評估板上，LWR的輸入端通過金線連接到評估板的SMA端口，源極、漏極與柵極通過連接半導體分析儀的探針提取或施加信號．信號發(fā)生器(Agilent N5181A)用來產(chǎn)生激勵LWR工作的信號(連續(xù)的正弦波)，后經(jīng)同軸線纜連接功率放大器對信號進行放大(3種模式由于工作頻段跨度較大，測試使用的是3種不同的功率放大器，平均增益分別為34dB、42dB、42dB)，放大后的信號經(jīng)同軸線纜輸入至LWR的一個SMA端口．源極和漏極之間無電壓值，每個頻段掃描后測得的源極-漏極之間的電流值如圖8所示．3種模態(tài)均激勵產(chǎn)生了電流，由于無直流偏壓，表明3種電流都是聲波激發(fā)產(chǎn)生的，且電流值在諧振器21峰值處同樣達到最大值．另外，由于聲電流均為正值，這也表明聲波將空穴從漏極輸運到了源極，這也符合p型半導體的特征．為了確定聲電流是由石墨烯產(chǎn)生而不是AlN產(chǎn)生的，做了對比實驗，即同樣的條件下，監(jiān)測無石墨烯器件的電流值，結(jié)果，無石墨烯情況下并無聲電流產(chǎn)生，可以證明，之前檢測到的電流都是由石墨烯產(chǎn)生的．

圖8?實測到的3種模式下激發(fā)的聲電流

為了確定聲電流是由石墨烯產(chǎn)生而不是AlN產(chǎn)生的，做了對比實驗，即同樣的條件下，監(jiān)測無石墨烯器件的電流值．以A0模式為例，信號發(fā)生器同樣從340MHz掃描到370MHz，輸出功率為0.5mW，檢測源極漏極之間的電流．結(jié)果如圖9所示，可見無石墨烯情況下并無聲電流產(chǎn)生，可以證明，之前檢測到的電流都是由石墨烯產(chǎn)生的．

圖9?無石墨烯器件實測到的聲電流

進一步研究輸入的射頻信號功率對聲電流大小的影響．以頻散特性最低的S0模式為例．信號發(fā)生器輸出射頻信號頻率為1.337GHz且保持不變，輸出功率分別為100.0、17.8、31.6和56.2mW(圖示結(jié)果并未加入功率放大器增益)，依次開啟、關(guān)閉射頻信號，將聲電流動態(tài)響應記錄下來，如圖10所示．結(jié)果表明，射頻功率越大，聲電流也越大，但是聲電流并不隨接收到的射頻功率呈線性變化．這主要是因為，LWR的AlN是懸空的，功率幾乎全部施加在了AlN上，LWR產(chǎn)生了非線性效應．

最后，研究柵極電壓對聲電流的影響．仍以S0模態(tài)為例，信號發(fā)生器輸出1.337GHz的射頻信號，且保持恒定，源極漏極之間無電壓，柵極電壓從-60V掃描至60V，每次掃描時的射頻信號功率分別為10.0、17.8、31.6和56.2mW，柵極電壓調(diào)控聲電流的結(jié)果如圖11所示．在4種功率下，柵極電壓都有效地調(diào)節(jié)了聲電流的大小，且每種功率下，功率越大，聲電流隨柵極電壓變化的值也越高．

圖10?不同射頻功率下的聲電流動態(tài)響應結(jié)果

圖11 不同射頻功率下柵極電壓對聲電流的調(diào)制結(jié)果

聲電流研究中常用到松弛模型[3]，聲電流的密度可以表示為

(1)

?(2)

式中：為石墨烯中載流子的遷移率；為功率密度，＝g/device，g為石墨烯接收到的總功率，device為石墨烯溝道寬度；為聲波波速；為衰減系數(shù)，它是石墨烯電導率的函數(shù)；2為壓電材料的機電耦合系數(shù)；為聲波波長；m為壓電材料的常數(shù)．

由上述公式可知，柵極電壓改變了石墨烯的載流子遷移率和電導率，最終改變了聲電流的大?。沁^大的功率會導致電流噪聲顯著提升，例如輸入功率為56.2mW時，部分范圍內(nèi)電流的變化超出了柵極電壓調(diào)控的能力，造成這一現(xiàn)象的部分原因可能是過高的功率造成器件溫度過高，石墨烯載流子性能發(fā)生改變且不可控．后續(xù)工作需要繼續(xù)改進器件結(jié)構(gòu)以優(yōu)化器件性能．

3?結(jié)?語

本文設計制作了一種LWR驅(qū)動的石墨烯FET，實驗證明，A0、S0、S13種蘭姆波均可以激發(fā)石墨烯晶體管產(chǎn)生聲電流，其中，2.9GHz(S1模式)是目前能夠激發(fā)出聲電流的最高頻率．聲電流大小與輸入的射頻功率呈正相關(guān)性，但是由于LWR的非線性效應，輸入功率與聲電流大小不成正比．柵極電壓成功調(diào)控了聲電流的大小，完整實現(xiàn)了MEMS諧振器與石墨烯FET的集成．蘭姆波驅(qū)動的石墨烯FET不但實現(xiàn)了更高頻率的操作，而且多種諧振模態(tài)豐富了器件的工作模式．器件完美體現(xiàn)了超越摩爾技術(shù)，為新型器件的研究提供了很好的借鑒．

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A Graphene Field Effect Transistor Driven by a MEMS Lamb Wave Resonator

Liang Ji，Sun Chen

(State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instrument，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

With an increase in consumer needs，resonator functions need to be optimized and extended without an increase in their sizes. A typical approach to realize this is to integrate micro-electro-mechanical system(MEMS)reso-nators with integrated circuits(ICs). Transistors driven by resonators exhibit outstanding performance. Previously studied devices are based on surface acoustic wave(SAW)resonators，which have a low frequency，large size，and fail to be monolithically integrated with transistors. To overcome such disadvantages，a graphene field effect transistor(FET)driven by a MEMS lamb wave resonator(LWR)is proposed in this paper. Owing to the acousto-electric(AE) effect，the acoustic waves generated by the resonator transport the carriers in graphene，which results in a current. The AE current can be detected by a pair of electrodes and tuned by gate voltage. Through the finite element method(FEM)，we predict the performance of the resonator. There exist the following three modes：A0，S0，and S1. The measured performance of the fabricated device agrees well with the results of simulation. The three modes each succeeded in exciting an AE current，and 2.9GHz(S1mode)was the highest frequency that could induce an AE current. Focusing on the S0mode，the AE current increased with an increase in radio frequency power. Because of limited power handling，the current exhibited nonlinearity with respect to the input RF power. The gate voltage can tune the mobility and the conductivity in grapheme；thus，it can tune the AE current. The LWR-driven graphene FET has a higher frequency and smaller size and demonstrates a novel way for integration of microchips.

micro-electro-mechanical system(MEMS)；Lamb wave resonator；graphene field effect transistor；acousto-electric effect

10.11784/tdxbz201809025

TN4

A

0493-2137(2019)06-0594-07

2018-09-12；

2018-11-29.

梁?驥（1990—），男，博士研究生，liangjitju@tju.edu.cn.

孫?晨，chen.sun@tju.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51375341).

the National Natural Science Foundation of China(No.51375341).

(責任編輯：孫立華)