CN102879625B - 具有石墨烯晶体管的包络检波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有石墨烯晶体管的包络检波器，包括：石墨烯晶体管，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；第一电感和第一电容；第二电感；第二电容；输入端以及输出端，其中，石墨烯晶体管进一步包括：衬底；过渡层；金属走线层和层间介质层；连接线；源极、漏极和栅极；以及石墨烯薄膜的沟道层。本发明利用了石墨烯薄膜的双极性，具有电路结构简单、可同时提供增益的优点。
Description
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包络检波器。
背景技术
检波器是检出波动信号中某种有用信息的装置，通常分为包络检波器和同步检波器。其中包络检波器的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。现有的包络检波器中，多采用二极管或硅基MOS管组成的复杂电路，具有集成程度不高缺点，并且基于二极管的包络检波器不能够提供增益。
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结构简单的具有石墨烯晶体管的包络检波器。
本发明的实施例的具有石墨烯晶体管的包络检波器，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；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，连接在所述漏极与所述工作电压之间；第二电感，所述第二电感连接在所述栅极与所述偏置电压之间；第二电容，所述第二电容的一端与所述栅极相连，另一端与所述地端相连；输入端，所述输入端通过第三电容与所述栅极相连；以及输出端，所述输出端与所述漏极相连，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包络检波器，具有如下优点：（1）核心元件仅需要一个双极性的石墨烯MOS管以及一个低频滤波电容，元件少，成本低，电路结构简单，并且能提供增益；（2）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，栅控能力愈强增益效果越好；（3）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；（4）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；（5）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，有利于沟道层保护良好。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为利用石墨烯双极性特性进行包络检波的原理图；
图2为本发明的具有石墨烯晶体管的包络检波器的电路图；
图3为本发明的具有石墨烯晶体管的包络检波器的剖面结构示意图；
图4为本发明一个实施例中的石墨烯晶体管的局部放大结构示意图；和
图5为本发明另一个实施例中的石墨烯晶体管的局部放大结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
为本领域技术人员更好地理解本发明，首先对石墨烯的一些特性做简单介绍。石墨烯是一种二维半导体材料，其载流子为电子和空穴两种载流子，且电子和空穴的迁移率近似，该性质被称为双极性。利用石墨烯薄膜作为MOS管的沟道层，很容易推测出，该石墨烯MOS管具有双向导通特性，在源极接地的情况下，无论栅极的输入电压为正值或负值，漏极的输出电压均为正值。具体地，如图1所示，假设在栅极加上输入电压，输入电压如曲线A所示，0表示无信号阶段，1表示有信号阶段，其中有信号阶段的波形为正弦曲线。根据石墨烯MOS管的双向导通特性，则在漏极的输出电压应如曲线B所示，无信号阶段不变，而有信号阶段的波形变为连续正半波波形，效果与桥式整流电路类似。继续对输出电压（对应曲线B）进行低通滤波，则可得到曲线C所示的波形。最终的曲线C与原始的输入电压的曲线A相比，可以视为进行了包络检波操作。
图2为本发明的具有石墨烯晶体管的包络检波器的电路原理图，以及，对本发明的包络检波器从石墨晶体管处进行剖面，则如图3所示。
如图2所示，本发明的一个实施例包括：石墨烯晶体管M1，该石墨烯晶体管M1的源极S与地端相连，栅极G与偏置电压VB相连，漏极D与工作电压VDD相连；第一电感L1和第一电容C1，其中第一电感L1与第一电容C1并联，连接在漏极D与工作电压VDD之间；第二电感L2，第二电感L2连接在栅极G与偏置电压VB之间；第二电容C2，第二电容C2的一端与栅极G相连，另一端与地端相连；输入端Vin，输入端Vin通过第三电容C3与栅极G相连；以及输出端Vout，输出端Vout与漏极D相连。
需要说明的是，图2仅仅示出了包络检波器的常见连接方式，但本发明并不限于此。在不影响本发明的效果的情况下，偏置电阻、耦合电容等元件可做适应性改动。
如图3所示，本发明实施例中的核心器件石墨烯晶体管M1进一步包括：衬底100；形成在衬底100之上的过渡层200；形成在过渡层200之上的金属走线层300和层间介质层400，其中层间介质层400填充在金属走线层300之间；形成在层间介质层400之上的连接线500，其中，连接线500的至少一部分与金属走线层300相连；形成在层间介质层400之上的源极S、漏极D和栅极G，其中，源极S、漏极D和栅极G包括形成在层间介质层400之上的金属接触层600，源极S和漏极D分别通过金属接触层600与连接线500相连；以及形成在栅极G之上的栅极介质层700和形成在源极S、漏极D和栅极G之上的沟道层800，其中，沟道层800为石墨烯薄膜。具体地：
在本发明的一个实施例中，衬底100采用单面抛光的高阻Si衬底，晶向<100>，掺杂为N型。过渡层200通过对衬底100的上表面进行热氧化处理，使Si转变为SiO2，厚度为0.7-1μm。
在本发明的一个实施例中，金属走线层300可以通过在过渡层200之上通过溅射等方式形成金属薄层（例如厚度约0.7μm的Al）并进行光刻得到。层间介质层400是在形成金属走线层300之后通过PECVD等方式沉积厚度约为0.5μm的SiO2得到，该层间介质层400位于过渡层200之上和金属走线层300之间。优选地，在形成石墨烯晶体管M1的金属走线层300的同时，形成包络检波器中的电感（例如第一电感L1和第二电感L2）和电容（第一电容C1和第二电容C2）等其他无源器件301。
在本发明的一个实施例中，连接线500可通过溅射等方式再次形成金属薄层（例如厚度约0.7μm的Al）并进行光刻得到。连接线500将源极S、漏极D和栅极G经过通孔与金属走线层300相连。
为本领域技术人员更清晰地理解本发明，图4示出了图3的石墨烯晶体管的源漏栅极的局部放大的结构示意图。
如图4所示，在本发明的一个具体实施例中，在栅级G的宽度约200nm，栅极G与源极S漏极D之间的开槽宽度约250nm。
在本发明的一个实施例中，源极S、漏极D和栅极G通过底部的金属接触层600与连接线500相连。金属接触层600厚度约120nm，材料可为Ti、Ti/TiN或Ni。需要说明的是，若金属接触层600的材料的功函数高于（低于）石墨烯，调节石墨烯费米能级，使其表现成p型（n型）。金属功函数和石墨烯功函数的差越大，石墨烯中载流子浓度越大。功函数和石墨烯差越大，载流子浓度越高，有利于降低接触电阻。例如，石墨烯功函数普遍认为是4.3eV，Ti的功函数为3.96eV，则形成n型石墨烯；TiN功函数为5.05-5.15eV，Ni功函数5.15eV，则形成p型石墨烯。选择多种金属电极有利于制备多种石墨烯掺杂水平的器件。TiN、Ni和石墨烯的功函数差距较大，提高了石墨烯中载流子浓度，利于降低接触电阻。
在本发明的一个实施例中，栅极G的金属接触层600顶部的栅极介质层700通过原子层沉积（ALD）等工艺形成，其材料可为Al2O3、HfO2或HfSiON等高介电常数（High-K）介质材料。栅极介质层700由于其材料特性，能在较大的物理厚度形成较小的二氧化硅等效厚度（EOT）,从而阻止漏电，提高器件的栅控能力。
在本发明的一个实施例中，在源极S、漏极D和栅极G上具有石墨烯薄膜材料的沟道层800。其中，石墨烯薄膜可通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移方法形成。由于源极S、漏极D和栅极G的金属接触层600厚度一致，而栅极G上的栅极介质层700厚度较薄，故可以视为源极S、漏极D和栅极G仍处于同一平面上，因此沉积的石墨烯薄膜可以利用气压平整紧密地贴合在源极S、漏极D和栅极G顶部，有效避免了转移覆盖不紧密，达到紧密吸附的有益效果。
在本发明的优选实施例中，如图5所示，还包括在形成在源极S和漏极D上的欧姆接触900。该欧姆接触可以通过蒸发等工艺形成几十纳米（通常取经验值40nm）厚度的金属材料及金属材料的组合（例如：Ti+Au，Ti+Pd+Au，Pd+Au）得到，有利于进一步降低接触电阻。
本发明的具有石墨烯晶体管的包络检波器，具有如下优点：（1）核心元件仅需要一个双极性的石墨烯MOS管以及一个低频滤波电容，元件少，成本低，电路结构简单，并且能提供增益；（2）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，栅控能力愈强增益效果越好；（3）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；（4）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；（5）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，有利于沟道层保护良好。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (8)
1.一种具有石墨烯晶体管的包络检波器，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；
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，连接在所述漏极与所述工作电压之间；
第二电感，所述第二电感连接在所述栅极与所述偏置电压之间；
第二电容，所述第二电容的一端与所述栅极相连，另一端与所述地端相连；
输入端，所述输入端通过第三电容与所述栅极相连；以及
输出端，所述输出端与所述漏极相连，
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、漏极和栅极介质层之上的沟道层，其中，所述沟道层为石墨烯薄膜。
2.如权利要求1所述的具有石墨烯晶体管的包络检波器，其特征在于，所述过渡层为通过热氧化形成的SiO2。
3.如权利要求1所述的具有石墨烯晶体管的包络检波器，其特征在于，所述层间介质层为通过沉积形成的SiO2。
4.如权利要求1所述的具有石墨烯晶体管的包络检波器，其特征在于，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。
5.如权利要求1所述的具有石墨烯晶体管的包络检波器，其特征在于，所述栅极介质层为高介电常数材料Al2O3、HfO2或HfSiON。
6.如权利要求1所述的具有石墨烯晶体管的包络检波器，其特征在于，所述源极、 漏极和栅极在同一平面上。
7.如权利要求1所述的具有石墨烯晶体管的包络检波器，其特征在于，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。
8.如权利要求1所述的具有石墨烯晶体管的包络检波器，其特征在于，所述石墨烯晶体管还包括：形成在所述源极和漏极上的欧姆接触。
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