CN104854789A - 高频振荡电路及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种方法包括提供具有场效应晶体管的振荡器,所述场效应晶体管与谐振电路相连接。所述场效应晶体管具有耦合到栅极电压源的栅电极、源电极、漏电极、和位于所述源电极和所述栅电极之间并电连接至所述源电极和所述漏电极的石墨烯通道。所述方法进一步包括:通过所述栅电极偏置所述石墨烯通道到负微分电阻运行区,以引起振荡器产生具有谐振频率f0的频率信号。还可以包括附加的步骤以改变所述栅极电压的方法,从而偏置所述石墨烯通道到所述负微分电阻运行区,及所述负微分电阻运行区之外,以便分别调整所述频率信号的开和关。
Description
技术领域
本发明的示例性实施例总体上涉及电子设备、晶体管、场效应器件,场效应晶体管(FETS),和能够产生微波和太赫兹(THz,1012Hz)频率信号及波形的电路,以及包括所述FETS的电子电路。
背景技术
太赫兹辐射表示频率在0.3到3THz(100μm到1mm)之间的电磁波。此频率范围介乎微波和光学光谱(远红外线)之间。THz辐射是重要的、有前景的应用,包括(但不限于),高带宽通信,医疗,生物和工业图像、隐藏物体的非侵入性成像、雷达、以及空间科学。
发明内容
本发明示例性实施例的第一个方面提供了一种产生高频信号的设备。该设备由栅电极、源电极、漏电极、以及位于源电极和漏电极之间并且电连接至所述源电极和所述漏电极的石墨烯通道。所述石墨烯通道相对于所述栅电极进行设置,从而由所述栅电极偏置到负微分电阻运行区。
本发明的示例性实施例的另一方面提供一个电路,所述电路包括场效应晶体管以及谐振电路,所述谐振电路具有连接至场效应晶体管的第一终端。谐振电路包括电感、电容,并且具有用于连接到辐射器的第二终端。场效应晶体管由耦合到栅极电压源的栅电极、源电极、漏电极、位于源电极与漏电极之间并电连接至所述源电极和所述漏电极的石墨烯通道。所述石墨烯通道相对于所述栅电极进行设置,从而由所述栅电极偏置到负微分电阻运行区。
本发明示例性实施例的一个方面提供了一种方法包括:提供包括与谐振电路连接的场效应晶体管的振荡器。所述场效应晶体管由耦合到栅极电压源的栅电极、源电极、漏电极、和位于源电极与漏电极之间并电连接至所述源电极和所述漏电极的石墨烯通道。所述方法进一步包括通过栅电极偏置石墨烯通道到负微分电阻运行区以引起振荡器产生谐振频率f0。
本发明的示例性实施例的又一个方面提供了一种方法,包括:提供包括与谐振电路连接的场效应晶体的振荡器,所述场效应晶体管包括耦合到栅极电压源的栅电极、源电极、漏电极、和位于源电极与漏电极之间并电连接至所述源电极和所述漏电极的石墨烯通道。所述方法进一步包括:通过栅电极偏置石墨烯通道到负微分电阻运行区以使得振荡器产生具有谐振频率f0的频率信号,并且改变栅极电压以偏置石墨烯通道到所述负微分电阻运行区,及所述负微分电阻运行区之外,以便分别开启及关闭所述频率信号。
附图说明
图1A和图1B(统称为图1)示出了具有顶栅结构的石墨烯场效应晶体管(FET)的示例性横截面放大视图。其中图1B示出了图1A中的FET的立体图。(各层厚度并未按比例绘制)。
图2示出了一个底栅石墨烯FET横截面放大图。
图3示出了电流(I)与漏极电压(VDS)的示意图,用于解释图1和图2中的石墨烯FET的电流-电压特征,特别是石墨烯FET的负微分电阻(NDR)操作。
图4和5示出了谐振电路的示例性示意图,每个所述谐振电路与辐射器耦合,并且所述谐振电路包括图1或图2中的石墨烯FET。
具体实施方式
有效的生成和检测THz辐射仍然存在挑战,这导致所谓的“太赫兹间隙”的产生。至少部分原因是由于事实上,连续波(CW)、集中、有效、大功率、便宜的,且在室温环境下操作的太赫兹源尚不存在。实现这一THz源有助于实现,例如通信、成像和医疗等领域的多种应用。
原则上,可以使用至少两种不同的技术生成THz辐射。例如,从THz的高频段来看,可以扩展光学技术以产生和检测THz波。但是,这种方法通常受限于太赫兹能量(~1meV)远小于半导体的典型能量间隙和室温的热能量(~25meV)这一事实。此外,使用光学设备以产生THz辐射通常需要高成本的、复杂的和庞大的设备。从THz的低频段来看,已经对大量的两端电子设备(例如,耿氏二极管,共振隧穿二极管RTD,以及碰撞雪崩过境时间(IMPATT)二极管)进行了广泛的研究。这些两端电子设备一个共同的特点和限制性特征就是其电流电压(I-V)特征中表现出的负微分电阻特性。在太赫兹波段采纳RF(射频)电子技术受限于千赫兆范围的晶体管的截止频率,所述截止频率实质性低于THz的范围。
本发明的实施例中的各种非限制性的示例至少提供一种设备和方法以产生基于三端石墨烯场效应器件的微波和THz辐射。实施例中的非限制性示例提供可以便利的纳入现有电子技术以产生一个简洁、低功耗和便携的THz信号源的设备和电路设计。
石墨烯是一种碳的同素异形体,其具有一个原子厚的平面薄片结构,该薄片具有组成了蜂巢(六角形)晶格网络的sp2杂化碳原子。石墨烯具有固有的高载流子迁移率。并且石墨烯提供了形成可以支持很薄的体厚度的石墨烯层的可能性,比如仅有一个碳原子的厚度。可以提供基于石墨烯的场效应晶体管的高频操作,比如超过300GHz。
在本发明的实施例中,THz频率的产生原理至少部分的基于在特定条件下的石墨烯场效应设备中的负微分电阻(NDR)行为。由于石墨烯的优异电气属性以及和一个相对简单设计相关的最小寄生效应,石墨烯电路的示例性实施例提供了在微波和THz频谱中产生电磁波的额外的和改进的方法。
本发明的实施例中的非限制性示例提供一种基于石墨烯场效应设备(FETs)产生微波和/或THz辐射的技术。这部分地通过在可以展现负微分电阻(NDR)行为的范围内操作石墨烯FETs来实现。
石墨烯FETS的示例性实施例具有三个终端:源电极、漏电极和栅电极。源电极和漏电极直接与石墨烯相连接,而栅电极通过一个薄的绝缘电介质层与石墨烯通道分离。所述石墨烯FET通道体现为一个石墨烯单原子层,其中通道电导由施加于栅电极的电位控制。位于石墨烯通道中的负微分电阻可以实现一定范围的源漏极偏压。如果适当的耦合到包括比如至少一个电感和一个或多个电容的谐振电路,则可以利用石墨烯FET的NDR效果在微波和/或THz频段中的指定频率产生持续的、稳定的、振荡。
使用本发明的示例性实施例,石墨烯的高载波流动性和饱和速度使得实现与其它类型的NDR设备相比的高振荡频率成为可能。此外,石墨烯的平面结构与晶圆级工艺流程相吻合,并且可以促进和硅基微电子的集成。进一步,按照本发明的特定实施例,THz产生电路的特征和操作可以使用栅电极进行调整。比如,可以通过控制栅极电压“开”、“关”微波/THz辐射的产生来实现快速切换。进一步,通过在单腔内放置多个辐射源(多于一个微波/THzFET),可以实现大功率发射的辐射。
图1A和1B,统称为图1,示出了具有顶栅结构的石墨烯场效应设备100的示例。图1示出了具有介质衬底10的顶栅结构,其具有石墨烯层以在所述衬底10表面上形成石墨烯通道12。所述石墨烯通道12至少部分的位于源区14和漏区16的下方,并且电连接至所述源电极和所述漏电极。在石墨烯通道12的上方是栅极电介质层18,所述栅极电介质层18位于栅极区20的下面。与所述源区14相连的是源电极,与所述漏区16相连的是漏电极,并且与所述栅极区20相连的是栅电极,这样可以与石墨烯FET 100的三个端子电连接。
图2示出了一个底栅石墨烯FET 100A横截面图。在本实施例中,衬底10的中间部分10A可以作为栅极电介质12。可替代地,可以像图1那样提供单独的栅极电介质层18。
在图1或图2所示的实施例中,石墨烯层/通道12可以被外延生长于比如SiC衬底10,或者通过化学气相沉积(CVD)生长于另外一个衬底或者被转移到所期望的衬底。非限制性的,其它合适的衬底材料例如包括:钻石形状的碳、氧化硅、石英、蓝宝石。
在图1和2所示的两个例子中,源区12、漏区14可以被形成为金属或者包含金属的系统。金属(和包含金属的合金和分层系统)的非限制性示例可以包括Au、Pd、Al、W、Ni、Cr、Cu、Ti等等,并且可以通过例如光刻或剥离技术沉淀。石墨烯FET通道结构可以被光刻限定,其中,过量的石墨烯可以通过使用,比如氧等离子体蚀刻工艺,进行移除。
图1所示的顶栅结构中,电介质层18可以是一个电绝缘层(比如大约1nm到大约100nm的厚度),并通过光刻和剥离技术形成栅电极20。栅极电介质18的非限制性实施例包括但不限于铝氧化物,氧化铪,氧化硅,氧化钇和氧化锆。某些上述电介质材料被现有技术中称为高介电常数(高K)电介质材料(相比于SiO2而言)。比如,可以用高介电常数(高k)材料作为栅极电介质18,所述高介电常数材料包括电介质金属氧化物,并且具有大于氮化硅的介电常数7.5的介电常数。可以用现有技术中已知的方法形成高k电介质层18,比如气相沉积(CVD),原子层沉积(ALD),分子束沉积(MBD)、脉冲激光沉积(PLD),液态源雾化沉积(LSMCD)等等。电介质金属氧化物包含金属和氧,可选的,还包括氮和/或硅。高k介电材料的示例包括HfO2、ZrO2、La2O3、Al2O3、TiO2、SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、HfOxNy、ZrOxNy、La2OxNy、Al2OxNy、TiOxNy、SrTiOxNy、LaAlOxNy、Y2OxNy及其硅酸盐、其合金。每一个x可以是0.5到3间的一个独立的值,并且每一个y可以是0到2之间的一个独立的值。高k电电介质层18的厚度可以从大约1nm到大约10nm(或者更厚)。高k电介质层18可以具有有效的氧化物厚度(EOT),大约1nm,或者更薄。可以直接在高k电介质层18的上表面上沉积栅极区20,比如通过气相沉积(CVD),物理气相沉积(PVD),或原子层沉积(ALD)。作为栅极区20的非限制性实施例,其可以包括从TiN,TiC,TaN,TaC,TaSiN,HfN,W,Au,Cu,Al和Ru中选择的一个或多个金属系统。
在图2所示的底栅结构中,栅极区20可以被预制于衬底10上或衬底10中,并且可能被氧化物薄层(如1nm到100nm)所覆盖或者被高k电介质所覆盖以形成栅极电介质18。石墨烯层12由此被转移到含有嵌入的栅极区20的衬底10,随后形成源区14和漏区16。作为非限制性示例,可以在金属(例如Cu)上执行CVD碳沉积工艺,随后应用聚合物层(作为处理衬底),随后选择性蚀刻Cu,转移处理衬底,并且通过任何适当的移除工艺移除处理(聚合物)衬底。
石墨烯FET100的栅极长度可以是,比如大约100nm或者更短。
图3示出了石墨烯场效应设备100在两个不同的栅极电压(Vg,即,Vg=V1和Vg=V2-V1)下的电流与电压(I-V)特征的示意图,电流与电压特征高度取决于栅极电压,并且可以观察到在特定栅极电压(如图3中的Vg=V1)下的负微分电阻(NDR)区。NDR区表现为I-V曲线的负斜率,如下:
gDS=dl/dVDS<0。
负微分电阻特征及其控制在石墨烯FET100中对于实现高频信号的产生是非常重要的。此外,并且在下文中将会进一步说明的是,控制负微分电阻特征允许高频信号(而不一定是THz频率信号)可以在开和关间进行快速切换。
注意到为了在石墨烯FET100中实现负阻抗行为,期望使用薄栅极电介质18、高k栅极电介质18、具有高载流子迁移率的石墨烯通道12。与现有的两个端子的NDR设备相比,石墨烯NDR设备100的一个显著特征是可以由图3中的栅极电压Vg调整和控制I-V(电流-电压)特征。
图4和图5示出了谐振电路200的实施例,每个谐振电路耦合到辐射器202,其还包括图1或2所示的石墨烯FET100。总体而言,源和漏极是对称的。对于n型设备而言,漏极偏压可以比源极偏压更大。对于图4和图5所示的电路而言(具有正偏压Vbias),源极14与地面相连,并且漏极16与节点T1相连(通过电感L2与正偏压Vbias相连)。如果石墨烯FET100是p型的,则使用负偏压。L2作为高频抗流圈用于防止高频信号泄漏进电源回路中。
图4示出了提供基于石墨烯NDR FET设备100产生THz/微波的示例性电路实施例。在该示例性结构中,石墨烯FET100的漏区16与谐振电路200相连接,所述谐振电路200的特征在于具有电感L1、电容C1以及电阻R1。谐振频率f0由电感L1和电容C1的值决定,如f0=1/(2π*sqrt(L1xC1))。电阻R1表示这些组件中的负载和/或寄生电阻,而不是独立的体电阻组件。通过经由Vbias(经由L2作用于漏区16)和Vg(作用于栅极区20)偏置石墨烯FET100到NDR状态,可以在整个电路实现等于或小于0的小信号阻抗,从而导致在电路中产生频率为f0=1/(2π*sqrt(L1*C1))的电流和电压振荡(我理解这里的振荡频率是修饰振荡的,而不是电路的频率)。可以产生在这一频率的电磁辐射,并且通过辐射器202(例如天线和/或电路200的波导)发射出去。与其它使用两端NDR二极管的高频振荡器不同,THz/微波源的输出频率可以通过控制栅极电压Vg进行调整。比如,由于输出功率与I-V特征中的NDR区域的范围相关,输出功率可以由栅极电压Vg进行控制。此外,通过使用栅极电压Vg(如图3)切换石墨烯FET100的NDR和非NDR状态,振荡器的输出频率可以被快速的开和关,这在很多类型的应用(包括通信应用)中是有用的。
另外一个THz/微波产生电路的示例性实施例如图5所示。与图4中并联的L1和C1所不同的是,在本实施例中,L1和C1是串联的。之前,R1表示这些组件的负载和/或寄生电阻。在图4所示的实施例中,通过经由Vbias和Vg将石墨烯FET100偏置到NDR状态,而在整个电路实现等于或者小于0的小信号阻抗,从而导致在电路中产生频率为f0=1/(2π*sqrt(L1*C1))的电流和电压振荡。并且在图4的实施例中,通过使用栅极电压Vg切换石墨烯FET100的NDR和非NDR状态,可以快速在开和关间切换振荡器的输出频率。
图4和图5所示的谐振电路200可以被视为具有连接到石墨烯FET100(如漏极端子16)的第一终端(T1)和可与辐射器202相连的第二终端T2的两端子电路元件。值得注意的是,电阻R1通常并不是物理上的、独立的电路元件,而事实上是电感L1的寄生部分。辐射器202可以被连接到LC电路的任何地方。为了实现THz频率范围,L1和C1的示例性取值可以分别是大约1微微亨利(pico-Henry)和40毫微微法拉(femto-Farads),而Vbias和Vg的示例性取值可以是大约2伏特。
注意到,在图4和图5的实施例中,所产生的THz/微波振荡器输出频率可以在从辐射器202传送之前进行调整(如调幅),从而向一个或多个接收器传送载有例如数据和/或声音信号的载波。
如上文所述,可以提供两个或更多的基于石墨烯的NDR设备100,并且将这些设备耦合到辐射器202,从而提高辐射器202整体的输出功率。
本发明的实施例提供一种用于产生使用三端场效应晶体管的高频信号方法和结构,所述场效应晶体管具有位于源电极和漏电极之间的石墨烯通道,其中石墨烯通道电耦合于栅电极从而被栅电极偏置到负微分电阻运行区。
在此使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例,而不是为了对本发明进行限制。除非在上下文中特别指明,量词“一个”和“所述”也可以包括多个。可以进一步理解,说明书中使用的术语“包括”表示存在所描述的特征、统一体、步骤、操作、元件、和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其它特征、统一体、步骤、操作、元件、组件、和/或其组合。
权利要求中的所有的装置或步骤,以及功能要素的相应结构、材料、动作和等同物可以包括为了执行用于与权利要求中明确要求保护的其它要素相结合的功能的任何结构、材料、或动作。本发明的描述仅为了示例和描述的目的,而不是为了对本发明以所披露的形式进行穷举或限制。对于本领域的所属技术领域人员而言,很多修改或变形都是显而易见的,并不偏离本发明的范围和精神。所选择和描述的实施例是为了更好的解释本发明的原则和实际应用,以及允许本领域的所属技术人员理解本发明的各种实施例的各种变形,这些变形适用于所意图适用的特定应用。
因此,对于所属领域的技术人员而言,当与附图或权利要求冲突的时候,对前述描述进行修改或调整可能是显而易见的。例如,所属领域的技术人员可以使用其它相似的或等同的数学表达。然而所有基于本发明的技术启示的所述或相似修改都仍然落入本发明的范围。
Claims (32)
1.一种方法,包括:
提供振荡器,包括与谐振电路相连的场效应晶体管,其中所述场效应晶体管包括:耦合到栅极电压源的栅电极、源电极、漏电极、和位于所述源电极和所述漏电极之间并且电连接至所述源电极和所述漏电极的石墨烯通道;以及
通过所述栅电极偏置石墨烯通道到负微分电阻运行区,以引起所述振荡器产生具有谐振频率f0的频率信号。
2.如权利要求1所述的方法,其中谐振电路具有连接到所述场效应晶体管的第一终端,所述谐振电路包括:电感、电容、并且具有用于连接辐射器的第二终端,其中所述谐振频率的范围在大约0.1THz到大约1THz之间。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述栅极电压源提供可变的栅极电压,并且进一步包括:
改变所述栅极电压以调整所述振荡器的开和关。
4.如权利要求1所述的方法,进一步包括改变所述栅极电压以将所述石墨烯通道偏置到所述负微分电阻运行区,及所述负微分电阻运行区之外,以便分别开启及关闭所述频率信号。
5.如权利要求1所述的方法,其中所述谐振电路耦合到辐射器,以用于在所述频率信号开启时发射所述频率信号。
6.如权利要求1所示的方法,其中构造所述振荡器包括提供位于所述石墨烯通道和所述栅电极之间的电介质层。
7.如权利要求6所述的方法,其中所述电介质层由高介电常数(高k)材料组成。
8.如权利要求1所述的方法,其中所述石墨烯通道被构造为位于衬底表面上,与所述源电极和所述漏电极电连接,并且所述栅电极被构造为位于所述衬底的所述表面上。
9.如权利要求1所述的方法,其中所述石墨烯通道被构造为位于衬底表面,与所述源电极和所述漏电极电连接,并且所述栅电极被构造为位于所述衬底的所述表面下。
10.如权利要求1所述的方法,其中所述谐振电路具有连接到所述场效应晶体管的第一终端,所述谐振电路包括电感、电容,并且具有用于与辐射器相连的第二终端。
11.如权利要求10所述的方法,其中所述谐振电路的所述第一终端与所述漏电极相连,并且其中所述源电极与所述偏置电压源相连。
12.如权利要求10所述的方法,其中所述电感和所述电容并联。
13.如权利要求10所述的方法,其中所述电感和所述电容串联。
14.如权利要求1所述的方法,其中如果通过所述栅电极将所述石墨烯通道偏置到负微分电阻运行区,f0具有从大约0.1THz到大约1THz范围内的频率。
15.如权利要求1所述的方法,其中如果通过所述栅电极将所述石墨烯通道偏置到负微分电阻运行区,则具有步骤改变可变栅极电压值以调整所述频率信号的开和关。
16.如权利要求1所述的方法,其中如果通过所述栅电极将所述石墨烯通道偏置到所述负微分电阻运行区,所述振荡器的所述谐振频率f0取决于所述电感(L1)和所述电容(C1),其值为大约2π(L1xC1)1/2。
17.一种方法,包括:
提供振荡器,所述振荡器包括连接到谐振电路的场效应晶体管,所述场效应晶体管包括:耦合到栅极电压源的栅电极、源电极、漏电极、和位于所述源电极和所述漏电极之间并且电连接至所述源电极和所述漏电极的石墨烯通道;
通过所述栅电极偏置所述石墨烯通道到负微分电阻运行区,以引起振荡器产生具有谐振频率f0的频率信号;
改变所述栅极电压以偏置所述石墨烯通道到所述负微分电阻运行区,及负微分电阻运行区之外,以便分别开启及关闭所述频率信号。
18.如权利要求17所述的方法,其中所述谐振电路耦合到辐射器用于在所述频率信号开启时发射频率信号。
19.如权利要求18所述的方法,进一步包括:将至少两个所述场效应晶体管耦合到所述辐射器。
20.一个用以产生高频信号的设备,包括:
栅电极;
源电极;
漏电极;以及
位于所述源电极和所述漏电极之间并且电连接至所述源电极和所述漏电极的石墨烯通道,其中所述石墨烯通道相对于所述栅电极进行设置,从而由所述栅电极偏置到负微分电阻运行区。
21.如权利要求20所述的设备,进一步包括:位于所述石墨烯通道和所述栅电极之间的电介质层。
22.如权利要求21所述的设备,其中所述电介质层由高介电常数(高k)的材料组成。
23.如权利要求21所述的设备,进一步包括:衬底,其中所述石墨烯通道位于所述衬底的表面上,与所述源电极和所述漏电极电连接,并且其中所述栅电极位于所述衬底的所述表面上。
24.如权利要求21所述的设备,进一步包括:衬底,其中所述石墨烯通道位于所述衬底的表面上,与所述源电极和所述漏电极电连接,并且其中所述栅电极位于所述衬底的所述表面下。
25.一个电路,包括:
场效应晶体管;以及
具备连接到所述场效应晶体管的第一终端的谐振电路,所述谐振电路包括:电感、电容,并且具有用于连接到辐射器的第二终端,
其中所述场效应晶体管包括:耦合到栅极电压源的栅电极、源电极、漏电极、和位于所述栅电极和所述漏电极之间并电连接至所述源电极和所述漏电极的石墨烯通道,其中所述石墨烯通道相对于所述栅电极进行设置,从而由所述栅电极偏置到负微分电阻运行区。
26.如权利要求25所述的电路,其中所述谐振电路的所述第一终端连接到所述漏电极,并且所述源电极连接到偏置电压源。
27.如权利要求25所述的电路,其中所述电感和所述电容并联。
28.如权利要求25所述的电路,其中所述电感和所述电容串联。
29.如权利要求25所述的电路,其中所述栅极电压源提供可变的栅极电压。
30.如权利要求25所述的电路,其中如果通过所述栅极电压偏置所述石墨烯通道到所述负微分电阻运行区,所述电路作为振荡器,具有从大约0.1THz到大约1THz的基础频率。
31.如权利要求25所示的电路,其中如果通过所述栅电极偏置所述石墨烯通道到所述负微分电阻运行区,所述电路作为振荡器,产生具有基础频率的输出信号,并且其中所述栅极电压源提供可变的栅极电压,并且所述栅极电压的变化可以用于开启和关闭所述振荡器的所述输出频率。
32.如权利要求25所述的电路,其中如果通过所述栅电极偏置所述石墨烯通道到所述负微分电阻运行区,所述电路作为振荡器,并且其中所述振荡器的谐振频率f0取决于所述电感(L1)和所述电容(C1),并且等于f0=1/(2π*sqrt(L1*C1))。
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Sah et al. | The Bipolar Field-Effect Transistor: I. Electrochemical Current Theory (Two-MOS-Gates on Pure-Base) |
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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