MEMS兰姆波谐振器驱动的石墨烯场效应管

梁 骥，孙 晨



MEMS兰姆波谐振器驱动的石墨烯场效应管

梁 骥，孙 晨

(天津大学精密仪器测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072)

随着消费者对电子器件要求的提高，电子器件需要在面积不变的情况下拓展与优化功能．一个典型的案例是将压电MEMS谐振器与IC电路集成，谐振器驱动的晶体管可以表现出独特的性能．之前研究的器件基本都是基于表面波谐振器，但器件频率低，体积大，无法利用半导体工艺将二者集成在一起．为解决上述缺点，设计制作了一种由MEMS兰姆波谐振器驱动的石墨烯场效应管．借助声电流效应，MEMS谐振器产生的兰姆波将石墨烯中的载流子进行了传输，设置于声波传播路径上的一对电极可以检测出电流值，且底部的栅极可以调节电流的大小．通过仿真，预测了谐振器的工作模式，在3GHz以内主要有A0、S0、S13种工作模式．经过微加工技术得到的兰姆波谐振器电学特性与仿真吻合，且A0、S0、S1这3种模式都成功驱动石墨烯产生了声电流，其中，2.9GHz(S1模式)是已有报道中能够激发出声电流的最高频率．以S0模式激发的声电流为主要研究对象的结果表明：声电流大小与输入射频功率呈正相关性，但由于谐振器功率承载能力有限，二者表现出了非线性关系；栅极电压由于改变了石墨烯中载流子迁移率与电导率，最终成功调制了声电流的大小；兰姆波谐振器驱动石墨烯晶体管工作频率更高，体积更小，成功验证了一种新的芯片集成的方法．

微机电系统；兰姆波谐振器；石墨烯场效应管；声电流效应

电子器件作为电子设备的基本元素，被广泛应用于生活中的方方面面[1]．随着人们对电子器件要求的提高，一些芯片制作新思想被提了出来，其中一种叫做超越摩尔技术，该技术旨在不增加电子器件体积的情况下器件的集成度更高且功能更多样．

将微谐振器和集成电路相结合是超越摩尔技术的一种典型体现[2]，将两者片上集成后，芯片功能不但可以得到拓展，且借助二者之间配合，部分性能还能得以提升．声电流效应非常有助于实现该目标，该效应可以将压电声波谐振器与石墨烯场效应管(field effect transistor，FET)结合在一起，谐振器和石墨烯FET不但可以发挥各自特性，二者还可以耦合，声波驱动的石墨烯场效应管甚至可以做到栅极将电流完全关断[3-4]，这是普通石墨烯FET无法做到的．

声电流效应最早报道于1953年，来自于麻省理工大学的研究人员通过理论计算第1次预测出声波可以与金属或半导体内载流子发生作用并最终产生电流[5]．后来，人们相继证明，声波在2DEG[6]、一维纳米材料[7-8]、二维纳米材料[9-11]等材料中均可以激发声电流．石墨烯是二维材料的典型代表，由于其具备极高的电子迁移率，目前大部分与声电流相关的研究都集中在这种材料上．最早发现石墨烯内可以产生声电流的是利兹大学的研究人员[12]，他们利用声表面波(surface acoustic wave，SAW)谐振器成功驱动石墨烯产生了电流．之后，研究人员又相继研究了石墨烯中的声电流对光[13]、温度[14]、气体[15-16]等的响应.但是要构成完整的FET，必须要有栅极结构．然而，由于上述SAW器件都是使用铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等体材料制作的，这些材料厚度通常在几百微米，如果把这些材料当作石墨烯FET的介电层，且在材料底部施加栅极电压，则过厚的介电层会严重削弱栅极电压的调制能力．目前常用的引入栅极的方案是在石墨烯上面滴加离子凝胶电解液或者其他液体，由液体作介电层[3-4,17-18]，在液体上部施加参考电压作为栅极电压，但是这种器件制作方法与互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)工艺不兼容，无法做到片上集成，所以，最好的办法是采用硅基的压电声波器件，栅极电压可以直接施加在硅基底部或者内嵌的栅极电极．本课题组之前成功做到了将硅基的SAW器件与石墨烯FET的片上集成，且栅极电压成功调控了声电流的大小[19]．但是，由于瑞利波波速较低，器件的工作频率只能达到几百兆赫兹．随着人们需求的提升，新频段的频率也越来越高．兰姆波由于波速更高，兰姆波谐振器(Lamb wave resonator，LWR)驱动的石墨烯FET有利于成为更高频率的器件．另外兰姆波频散特性比SAW更丰富，可以提供更多种类的工作模式，更有利于器件发挥多功能[20]．

本文设计并制作了一种LWR驱动的石墨烯FET．利用有限元仿真，预测了LWR的工作特性，之后利用微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)技术制作得到了LWR．其中，栅极嵌在了压电层下方，单层石墨烯被转移到了LWR中心．最终，测试得到了A0、S0、S13种模态，与仿真相符，且每种模态都可以激发石墨烯产生声电流．以S0为主要研究对象性，发现声电流大小与输入LWR的射频功率呈正相关，但并不具备线性，在这方面与SAW的结果不同[12,19]．由于栅极电压改变了石墨烯的载流子迁移率与电导率，从而成功调制了声电流的大小．该器件很好地体现了超越摩尔的思想，对下一代芯片研发具有很好的借鉴意义．

1 器件的设计与制造

LWR驱动石墨烯场效应管的器件如图1所示.射频信号施加在一侧叉指电极(interdigital trans-ducer，IDT)上，另外一侧IDT读出信号，可以检测声波特性．IDT两侧的空气反射珊可以将声波反射回去，减少能量泄漏；同时，空气反射栅还充当释放底部牺牲层的通道．栅极电极位于AlN下方，此时AlN既是声波器件的压电层，又是晶体管的绝缘层．声波可以经过石墨烯将能量传输给石墨烯中的载流子(电子或空穴)，载流子从漏极运动到源极，从而源漏极之间形成可以被检测到的电流．栅极电压可以控制载流子浓度，进而改变声电流的大小．为得到更高的谐振频率，波长周期要尽可能短，本实验室的最低光刻线宽可以达到1.5μm，为保证最优的电极覆盖率，IDT电极宽度设计为2.5μm，电极间缝隙宽度为1.5μm，则IDT电极周期为4μm，声波波长为8μm.为保证可以产生较强的信号，电极孔径设定为100μm．

借助有限元仿真软件COMSOL Multiphysics®，对兰姆波谐振器特性进行研究．为保证谐振器具有较高的机电耦合系数，且考虑到设备实际加工能力，AlN厚度设计为1.5μm，如图2所示．选择2D压电模块，AlN被赋予压电材料属性，Mo作为电极，被赋予弹性材料属性．为节省计算时间与计算机内存，只模拟一个周期内的情况，AlN两侧被赋予周期边界 条件．

图1 兰姆波谐振器驱动石墨烯FET的器件示意

通过扫描频率计算，在3GHz以内得到了3个主要的谐振模态，这3个谐振模态的频率-阻抗特性曲线分别如图3(a)～(c)所示，这3个模态的串联谐振频率分别为341MHz、1.21GHz、2.96GHz．将这3个模态的振动位移(绝对值)画出，分别如图3(d)～(f)所示，这些振动模态与A0、S0、S1的振动特点相符.

图2 AlN兰姆波谐振器的仿真模型示意

图3 仿真得到的兰姆波谐振器的电学响应与振动位移

器件的加工流程如图4所示．首先，利用反应离子刻蚀技术在硅基底刻出空腔(图4(a))，该空腔保证了AlN与硅基底分离，从而可以形成兰姆波的边界条件．然后，利用化学气象沉积技术沉积磷硅玻璃填满空腔(图4(b))．利用化学机械抛光将表面平坦化，在表面磁控溅射沉积100nm钼电极，利用反应离子刻蚀将钼刻出栅极形状(图4(c))．在表面通过磁控溅射依次沉积1.5μm 的AlN和100nm的Mo(图4(d))．利用反应离子刻蚀将Mo刻蚀成IDT、源极和漏极的形状(图4(e))．刻蚀AlN，形成空气反射栅(图4(f))．蒸镀金，并通过剥离方式形成图形，剩余的金主要附着在源极、漏极、引线区域上(图4(g))．最后，转移并刻蚀石墨烯，保证只有中间源极和漏极部分附着有石墨烯(图4(h))．

石墨烯的转移与刻蚀详情如下．石墨烯购买于ACS Material®，成品附着于硬质基底上，石墨烯上表面存留有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，用镊子将承载石墨烯的基底缓慢浸入清水中，此时由于PMMA的浮力作用，石墨烯浮于水上；用镊子夹取前一步制作好的芯片捞取石墨烯，保证石墨烯可以覆盖源极和漏极．将芯片置于热板烘烤，温度为120℃，烘烤10min，保证水分充分蒸发．将芯片置于丙酮溶液中，将PMMA充分溶解，之后用清水冲洗干净，再置于热板120℃烘烤10min，保证芯片彻底干燥．然后在芯片表面旋涂新的低分子量的PMMA，此PMMA为保护层．旋涂速率为6000r/min，旋涂时间1min．旋涂完成后置于热板烘烤，烘烤温度175℃，时间5min．之后继续旋涂光刻胶(S1813)，旋涂速率、时间同上，旋涂完成后烘烤，烘烤温度120℃，时间1min．完成后进行曝光、显影．石墨烯的图形化目的是为了让石墨烯与IDT等其他电极隔绝，只与源极、漏极接触，不影响谐振器的工作．曝光显影完成后，对石墨烯进行干法刻蚀，使用的气体是O2离子，功率70W，刻蚀4min．此时，未被保护的石墨烯和PMMA均被刻蚀掉．最后用丙酮去胶，用清水冲洗，并用N2吹干．

图4 器件的加工流程示意

2 器件的测试

器件制作完成后，利用光学显微镜和电子扫描显微镜对器件进行观察．图5(a)展示了器件在光学显微镜下的照片，可以观察到，器件加工完好，器件实际尺寸基本达到设计尺寸要求．IDT周期间距为4μm，对应的波长为8μm，IDT孔径为100μm，每组IDT有25对电极，两组IDT之间的中心间距为304μm，源极、漏极位于器件中心，二者电极宽度为15μm，间隔10μm．图5(b)展示了器件的SEM图，可以看到底下的空腔完全释放，器件完全悬空．相比于SAW器件的金属反射栅，LWR器件的空气反射栅节省了更多的空间，器件整体尺寸大大减少，更有利于器件的小型化．图5(c)展示了石墨烯区域的SEM图，可以看出石墨烯刻蚀完好，石墨烯晶体管的沟道长度为10μm，宽度为100μm．图5(d)展示了IDT的SEM图，可以看出电极刻蚀完好，电极之间没有短路．

图5 LWR驱动石墨烯FET的照片

接下来测试器件性能，先分别单独测试LWR和石墨烯FET，然后再测试兰姆波驱动的石墨烯FET的特性．测试使用2组GS探针，探针连接矢量网络分析仪，进行SOLT校准后，2组探针分别接触器件的2组测试端口，从网络分析仪中读取、记录参数．在10MHz～3GHz频段内，器件的透射系数曲线21如图6所示，在此频段内总共观察到3个谐振模态，这与仿真结果相符．3个模态分别为A0、S0、S1，取每个模态的21极大值可以得到三者的谐振频率依次为356MHz、1.337GHz、2.895GHz．因为兰姆波波长为8μm，可以得到三者的波速依次为2848m/s、10696m/s、23160m/s，其中S0和S1模式的兰姆波波速比AlN中的SAW显著提高，这更有利于制造更高频率的器件．

利用直流探针测试石墨烯晶体管的特性．探针连接半导体分析仪，3个探针分别接触器件的漏极、源极和栅极．石墨烯FET的输出特性曲线如图7(a)所示，漏极电压从-10mV扫描至10mV，每次扫描时的栅极电压分别为-60V、-30V、0V、30V和60V，每次扫描得到的漏极电流被记录下来．

图6 实测得到的双端口LWR的透射系数

图7 测试得到的石墨烯FET的电学特性

可以看出，石墨烯具备良好的电阻特征，且栅极电压可以有效调节石墨烯的电阻率．石墨烯FET的转移特性曲线如图7(b)所示．漏极电压为1mV且恒定，栅极电压从-60V扫描至60V，漏极电流被记录下来．可以看出，漏极电流随着栅极电压的增大而减小，表明石墨烯具有显著的p型半导体特性，参与导电的多数载流子为空穴，这主要是由空气中的水分子等物质对石墨烯进行了p型掺杂导致[12, 21]．

接下来，测试LWR驱动石墨烯FET的性能．器件被固定在一个评估板上，LWR的输入端通过金线连接到评估板的SMA端口，源极、漏极与栅极通过连接半导体分析仪的探针提取或施加信号．信号发生器(Agilent N5181A)用来产生激励LWR工作的信号(连续的正弦波)，后经同轴线缆连接功率放大器对信号进行放大(3种模式由于工作频段跨度较大，测试使用的是3种不同的功率放大器，平均增益分别为34dB、42dB、42dB)，放大后的信号经同轴线缆输入至LWR的一个SMA端口．源极和漏极之间无电压值，每个频段扫描后测得的源极-漏极之间的电流值如图8所示．3种模态均激励产生了电流，由于无直流偏压，表明3种电流都是声波激发产生的，且电流值在谐振器21峰值处同样达到最大值．另外，由于声电流均为正值，这也表明声波将空穴从漏极输运到了源极，这也符合p型半导体的特征．为了确定声电流是由石墨烯产生而不是AlN产生的，做了对比实验，即同样的条件下，监测无石墨烯器件的电流值，结果，无石墨烯情况下并无声电流产生，可以证明，之前检测到的电流都是由石墨烯产生的．

图8 实测到的3种模式下激发的声电流

为了确定声电流是由石墨烯产生而不是AlN产生的，做了对比实验，即同样的条件下，监测无石墨烯器件的电流值．以A0模式为例，信号发生器同样从340MHz扫描到370MHz，输出功率为0.5mW，检测源极漏极之间的电流．结果如图9所示，可见无石墨烯情况下并无声电流产生，可以证明，之前检测到的电流都是由石墨烯产生的．

图9 无石墨烯器件实测到的声电流

进一步研究输入的射频信号功率对声电流大小的影响．以频散特性最低的S0模式为例．信号发生器输出射频信号频率为1.337GHz且保持不变，输出功率分别为100.0、17.8、31.6和56.2mW(图示结果并未加入功率放大器增益)，依次开启、关闭射频信号，将声电流动态响应记录下来，如图10所示．结果表明，射频功率越大，声电流也越大，但是声电流并不随接收到的射频功率呈线性变化．这主要是因为，LWR的AlN是悬空的，功率几乎全部施加在了AlN上，LWR产生了非线性效应．

最后，研究栅极电压对声电流的影响．仍以S0模态为例，信号发生器输出1.337GHz的射频信号，且保持恒定，源极漏极之间无电压，栅极电压从-60V扫描至60V，每次扫描时的射频信号功率分别为10.0、17.8、31.6和56.2mW，栅极电压调控声电流的结果如图11所示．在4种功率下，栅极电压都有效地调节了声电流的大小，且每种功率下，功率越大，声电流随栅极电压变化的值也越高．

图10 不同射频功率下的声电流动态响应结果

图11 不同射频功率下栅极电压对声电流的调制结果

声电流研究中常用到松弛模型[3]，声电流的密度可以表示为

(1)

 (2)

式中：为石墨烯中载流子的迁移率；为功率密度，＝g/device，g为石墨烯接收到的总功率，device为石墨烯沟道宽度；为声波波速；为衰减系数，它是石墨烯电导率的函数；2为压电材料的机电耦合系数；为声波波长；m为压电材料的常数．

由上述公式可知，栅极电压改变了石墨烯的载流子迁移率和电导率，最终改变了声电流的大小．但是过大的功率会导致电流噪声显著提升，例如输入功率为56.2mW时，部分范围内电流的变化超出了栅极电压调控的能力，造成这一现象的部分原因可能是过高的功率造成器件温度过高，石墨烯载流子性能发生改变且不可控．后续工作需要继续改进器件结构以优化器件性能．

3 结 语

本文设计制作了一种LWR驱动的石墨烯FET，实验证明，A0、S0、S13种兰姆波均可以激发石墨烯晶体管产生声电流，其中，2.9GHz(S1模式)是目前能够激发出声电流的最高频率．声电流大小与输入的射频功率呈正相关性，但是由于LWR的非线性效应，输入功率与声电流大小不成正比．栅极电压成功调控了声电流的大小，完整实现了MEMS谐振器与石墨烯FET的集成．兰姆波驱动的石墨烯FET不但实现了更高频率的操作，而且多种谐振模态丰富了器件的工作模式．器件完美体现了超越摩尔技术，为新型器件的研究提供了很好的借鉴．

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

孙 晨，chen.sun@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51375341).

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

(责任编辑：孙立华)