[发明专利]具有石墨烯晶体管的低噪声放大器

说明书

技术领域

本发明半导体技术领域，特别涉及一种具有石墨烯晶体管的低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器（LNA）是现代无线通信、雷达、电子对抗系统等应用中的重要部分，常用于接收系统的前端，用于在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度。在低噪声放大器中，核心元件为具有信号放大作用的场效应晶体管或普通三级管。其中，场效应晶体管具有较高输入阻抗、低噪声、受环境影响较小等优点，比普通三极管具有更广泛地应用。

目前的低噪声放大器中，多采用硅基场效应晶体管。普通的硅基场效应晶体管随着尺寸（特别是栅极的SiO₂氧化层的尺寸）的减小，其热噪声、沟道噪声和闪烁噪声越来越明显，存在信噪比恶化的问题。近年来，石墨烯作为潜力巨大的半导体材料，成为研究热点。一方面，研究者们致力于采用石墨烯和新的栅极介质层材料制备出新组合、优性能的场效应晶体管，以提高介质频率，增大增益并改善噪声。另一方面，研究者尝试通过减少的源漏电阻、减少沟道散射的方法来提高场效应晶体管性能，改善信噪比。另外，已有研究表明（参考ACS NANO，2012年6卷6号），石墨烯场效应管的栅介质厚度越薄越有利于在输出特性曲线出现饱和区，这也为设计具有高增益的低噪声放大器提供可能。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。为此，本发明的目的在于提出一种石墨烯晶体管的低噪声放大器，其中石墨烯晶体管具有倒置结构，源漏接触小、栅控能力强，性能更好。

本发明的实施例的具有石墨烯晶体管的低噪声放大器，其特征在于，包括以下部分：石墨烯晶体管，所述石墨烯晶体管的源极与地端相连，栅极与偏置电压相连，漏极与工作电压相连；连接在所述漏极与所述工作电压之间的第一电感和第一电容，其中所述第一电感与所述第一电容并联；连接在所述源极与所述地端之间的第二电感和第二电容，其中所述第二电感与所述第二电容并联；位于所述漏极与所述第一电感和第一电容之间的输出端；以及位于所述源极与所述第二电感和第二电容之间的输入端，其中，所述石墨烯晶体管进一步包括：衬底；形成在所述衬底之上的过渡层；形成在所述过渡层之上的金属走线层和层间介质层，所述层间介质层填充在所述金属走线层之间；形成在所述层间介质层之上的连接线，其中，所述连接线的至少一部分与所述金属走线层相连；形成在所述层间介质层之上的源极、漏极和栅极，所述源极、漏极和栅极包括形成在所述层间介质层之上的金属接触层，其中，所述源极和漏极分别通过所述金属接触层与所述连接线相连；以及形成在所述栅极之上的栅极介质层和形成在所述源极、漏极和栅极之上的沟道层，其中，所述沟道层为石墨烯薄膜。

在本发明的一个优选实施例中，所述过渡层为通过热氧化形成的SiO₂。

在本发明的一个优选实施例中，所述层间介质层为通过沉积形成的SiO₂。

在本发明的一个优选实施例中，所述第一电感、第二电感、第一电容以及第二电容与所述金属走线层同时形成。

在本发明的一个优选实施例中，所述栅极介质层为高介电常数材料Al₂O₃、HfO₂或HfSiON。

在本发明的一个优选实施例中，所述源极、漏极和栅极在同一平面上。

在本发明的一个优选实施例中，所述石墨烯薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移形成。

在本发明的一个优选实施例中，还包括：形成在所述源极和漏极上的欧姆接触。

本发明的具有石墨烯晶体管的低噪声放大器，具有如下优点：（1）本发明采用了石墨烯薄膜作为沟道层，具有更好的栅控能力；（2）本发明的石墨烯晶体管采用倒置工艺，即先形成源漏栅极、后形成沟道层，该倒置工艺一方面可以保证先形成的源漏栅结构的精度，另一方面在栅极的金属接触材料上生长高介电常数（High-K）介质材料的栅极介质层较易实现；（3）栅极介质层非常薄，因此栅极、源极和漏极可视为在同一平面上，在形成石墨烯薄膜的过程中，可利用气压形成平整、紧密的石墨烯-电极接触；（4）可实现源漏欧姆接触，并且接触电阻因为金属-石墨烯-金属两面夹的结构以及石墨烯上较少沾污的原因而阻值较小，有利于减小放大器噪声，以及石墨烯沟道层保护良好也有利于减少散射，降低噪声；（5）本发明的工艺采用高介电常数材料作为栅极介质层，可以将栅极介质层做得很薄，因而有利于石墨烯场效应晶体管出现饱和区，实现放大功能。