石墨烯的性质及其发展
目录
一、概述
（一）基本概念与内涵
石墨烯概念
石墨烯是由单层sp2 杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构，包含两个等价的子晶格A和B。它的单层厚度为0.35 nm，C-C 键长为0.142 nm，其独特的稳定结构使之具有不同于其它材料的优良性能。石墨烯是一种零带隙半导体材料，超高的载流子迁移率，是商用Si材料迁移率的140倍，达到200000cm2/V?s，高于目前已知的任何半导体材料。在典型的100nm通道晶体管中，载流子在源和漏之间传输只需要0.1ps，因此可应用于超高频器件，为提供一种扩展HEMT 频率到THz成为可能。在石墨烯上，整流栅电极可以相隔几纳米放置，这样沟道更短而且传输更快。导热性能优良，热导率是金刚石的3倍，达到5000 W/m?K；超大的比表面积，达到2630m2/g；此外，它非常坚硬，强度是钢的100多倍，达到130 GPa。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。
潜质材料。石墨烯特殊的结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质，引起了科学界巨大兴趣，掀起了一股研究的热潮。安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因其在石墨烯二维材料方面的原创性杰出工作被授予2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯和主要半导体材料的迁移率
尽管长期以来物理学界普遍认为严格的2D晶体在自由状态下不可能存在（热扰动使原子在第三个维度上的涨落大于晶格常量，2D晶体熔化），但是关于Graphene的理论工作一直在进行。早在1947年P .R.Wallace通过理论计算给出了Graphene的能带结构，并以此为基础构建石墨(graphite)，获得了关于晶格中电子动力学信息，预言了Graphene中相对论现象的存在。虽然当时人们并不相信二维晶体的存在，但是Wallace的工作对于石墨的研究起了引导性的作用。石墨(graphite)作为一种半金属性(semi metal)材料，在布里渊区边界能带发生交叠，使电子能在层与层之间传输，当graphite的层数减少到仅有单层(Graphene)时，能带变为单点交叠的方式(如下图（a）所示)，而且由电子完全占据的价带和由空穴完全占据的导带对于这些交叠点(K和K′)完全对称。( a)理论计算给出的Graphene的能带结构，在狄拉克点处，能带发生交叠; ( b)低能量处(狄拉克点附近)的能带结构采用圆锥形近似，具有线性近似。
单层Graphene中电子在高对称性的晶格中运动，受到对称晶格势的影响，有效质量变为零(即无质量粒子) 。这种无质量粒子的运动由狄拉克方程而非传统的薛定谔方程描述。由狄拉克方程给出新的准粒子形式(狄拉克费密子)，能带的交叠点K和K′点也被称为狄拉克点。在低能处( K和K′点附近)，能带可以用锥形结构近似(见上图( b) )，具有线性色散关系。在狄拉克点附近，准粒子哈密顿量形式为：
其中σ为二维自旋泡利矩阵，k为准粒子动量，v F =106m / s为费米速度，近似为光速的1 /300，该哈密顿量给出的色散关系为 E = │hk│v F。值得注意的是Graphene中能量E与动量k间为线性关系，使得单层Graphene表现出许多不同于其他传统二维材料的特性。在狄拉克点处(K和K′等)，波函数属于两套不同的子晶格，需要用两套波函数描述，类似于描述量子力学中的自旋态(向上和向下)的波函数，因此称为赝自旋。由于准粒子采用“2 + 1”维低能狄拉克方程描述，模拟量子电动力学表述，在Graphene中引入手性。手性和赝自旋是Graphene中两个重要参量，正是由于手性和赝自旋的守恒，使Graphene 出现了许多新奇的性质。
对于双层Graphene，哈密顿量为：
可以看出，此哈密顿量虽然不是严格的狄拉克形式，但是只有非对角项不为零，具有较特殊的形式，类似单层石墨中的哈密顿量形式，仍然给出的是一种准
粒子。这种准粒子同样具有手性，但是有效质量不为0，m≈0.05m0(m0为电子质量)。双层Graphene的结构和低能量处的能带如下图( a)所示，双层Graphene 不再具有线性色散关系，而是近似抛物线状能带结构，如下图( b)所示。
(a)双层Graphene结构示意图与低能量处的能带图; (b)理论计算能带图，导带
(价带)中能量较高(较低)的子能带未画出。
在低能量处，色散关系不再满足线性关系，而是抛物线形式。
石墨烯作为理想的二维材料，说它是所有石墨碳元素结构形态的基础也不为过，它可以包裹起来形成零维的富勒烯，卷起来形成一维的碳纳米管，也可层层堆积形成三维的石墨，石墨烯的能带结构在理论上已经被研究了几十年，它可以认为是一种零禁带半导体材料，能带交叠为一点，而且由电子完全占据的价带和由空穴完全占据的导带关于这些交叠点( K和K′)完全对称。在K和K′点附近，石墨烯中的电子由于受到周围对称晶格势场的影响，电子的有效质量变为0，传统的描述电子运动的薛定谔方程被狄拉克(Dirac)方程所取代，因此K和K′点也被称为狄拉克点。在狄拉克点处，需要用两套波函数来描述两套的子晶格，类似于描述量子力学中的自旋的波函数，因此称为赝自旋。在狄拉克点附近，能量与波矢成线性的色散关系E =│hk│v F，费米速度是光速的1/300，呈现相对论的特性，因此石墨烯为我们研究量子电动力学现象提供了最直接的实验平台。模拟量子电动力学表述，可以在石墨烯中引入手性。手性和赝自旋是石墨烯的两个重要参量，正是由于手性和赝自旋导致的简并，使石墨烯出现了许多新奇的性质。
石墨烯作为一种半金属材料，内部载流子浓度高达1013cm-2。实验表明，石墨烯的迁移率几乎与温度无关，即使在室温下迁移率也主要受杂质或缺陷的影响，所以可以通过提高晶体质量来提高载流子的迁移率。最近，理论和实验均已证实石墨烯具有双极场效应，通过门电压的调制，它的载流子可以在电子和空穴间连续地过渡，使其显现出n型、p型特性。由于石墨烯特殊的晶体结构和能带结构，通过控制其几何构型及边缘的手性可以使其呈现金属或半导体特性。石墨烯在室温条件下也可以观察到它的量子霍尔效应，这与通常的半导体、金属材料完全不同。不过，石墨烯的电子输运不符合薛定谔方程的描述，而符合狄拉克相对论方程，所以其量子霍尔效应异于传统的二维电子气体：单层石墨烯的量子霍尔效应的量子序数相对于标准的量子霍尔效应的量子序数移动了1/2，而双层石墨烯的量子霍尔效应相对于标准的量子霍尔效应丢失了量子序数为0的第一个
平台。
在凝聚态物理领域，材料的电学性能常用薛定谔方程描述。而石墨烯的电子与蜂窝状晶体周期势的相互作用产生了一种准粒子，A.Qaiumzadeht等根据GW近似值计算了石墨烯在无序状态下在朗道费米子液体内的准粒子特性，即零质量的狄拉克-费米子（mass less Dirac Fermions)，具有类似于光子的特性，在低能区域适合于采用含有有效光速(v F=106m/s)的(2+1)维狄拉克方程来精确描述。因此，石墨烯的出现为相对论量子力学现象的研究提供了一种重要的手段。
在石墨烯的电学性能研究中发现了多种新奇的物理现象，包括两种新型的量子霍尔效应（整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应），零载流子浓度极限下的最小量子电导率，量子干涉效应的强烈抑制及石墨烯p-n结界面的电流汇聚特性等，石墨烯表现出异常的整数量子霍尔行为，其霍尔电导=2e2/h，6e2/h，l0e2/h…为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量(massless electron)”。2007年，先后3篇文章声称在石墨烯的p-n或p-n-p结中观察到了分数量子霍尔行为。理论物理学家已经解释了这一现象。
石墨烯的合成方法主要有微机械分离法、取向附生法、化学分散法、加热SiC法等。
最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年，K.S.Novoselov，A.K.Geim等人通过使用简单的胶带解理体石墨，轻松地获得了单层自由状态的Graphene。Novoselov等利用胶带将石墨逐渐撕薄，在得到的小片石墨薄层的边缘出现单层、双层、三层等Graphene薄片，采用传统光刻工艺，可以将Graphene分离，得到自由状态的Graphene (见下图)。目前，在大部分有关Graphene的研究中，使用的样品是采用此类方法制备。Graphene薄膜( a)光学显微镜下观测到的大尺度的Graphene薄片；( b)在薄片边缘的AFM图像，2μm ×2μm；( c)单层Graphene的AFM图像，深棕色为
SiO2 基底，棕红色为单层Graphene
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。采用这种方法生产的石墨烯厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏
合会影响碳层的特性。
化学分散法是将氧化石墨与水以1mg/ml的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。
加热SiC法是通过加热单晶SiC衬底脱除Si，在表面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下或气氛下加热，表层硅原子升华，碳原子重构生成石墨烯。该法被人们认为是实现石墨烯在集成电路中应用的最有希望的途径之一。在SiC衬底表面上生长的石墨烯有很多优势。其中就衬底而言，SiC是宽禁带半导体，可以是很好的半绝缘衬底，SiC衬底热导率高，散热好。经过几十年的研究和发展，SiC已经被广泛应用于电子学、MEMS 等领域。作为一个被人们广泛研究并应用的材料，人们对它已经有比较完善的了解，并发展了相关的半导体加工工艺，因此在SiC表面上生长的石墨烯可比较容易地实现半导体器件应用。与其他方法相比，在SiC衬底表面上生长的石墨烯在很多方面具有更高的质量，这种材料非常的平，其主要形貌由下面的SiC衬底的台阶决定。SiC衬底上生长的石墨烯可以在整个晶片上利用传统的光刻和微纳米加工技术进行器件或电路的刻蚀，可直接利用已有的SiC生产工艺实现大规模生产，因而在微纳电子器件和大规模集成逻辑电路领域有着重要的应用前景，SiC 上生长的晶圆级石墨烯是目前为止最有希望取代晶体硅的材料。
石墨烯由于以下四个方面的原因而引起人们的兴趣:
(1) Graphene中无质量的相对论性准粒子(狄拉克费密子)由狄拉克方程描述，在凝聚态物理与量子电动力学之间架起一座桥梁；
(2)两种新的量子霍尔效应、室温弹道输运、弱局域化、电声子相互作用等，为基础物理的研究提供模型；
(3)其他石墨类材料(0维巴基球、1维碳纳米管、3维体石墨)的性质来源于2维的Graphene，因此Graphene的研究不仅可以对以上材料特性给出补充性的解释，反过来又可以借鉴以上材料研究结果来发展Graphene；
(4)优异的电学、磁学等性质，使得Graphene将在纳米电子学、自旋电子学等领域得到广泛应用。
基于石墨烯的场效应管概念
场效应管(FET)是一种具有pn结的正向受控作用的有源器件，它是利用电
场效应来控制输出电流的大小，其输入端pn一般工作于反偏状态或绝缘状态，输入电阻很高，栅极处于绝缘状态的场效应管，输入阻抗很大。目前广泛应用的是SiO2为绝缘层的绝缘栅场效应管，称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOSFET。以功能类型划分，MOSFET分为增强型和耗尽型两种，其中耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子，使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个N型区中间的P型硅内形成一层N型硅薄层而形成一个导电沟道，所以在V GS＝0时，有V DS作用时也有一定的I D(I DSS)；当V GS有电压时(可以是正电压或负电压)，改变感应的负电荷数量，从而改变I D 的大小。V P为I D＝0时的-V GS，称为夹断电压。
MOSFET的特点是用栅极电压来控制漏极电流。随着微电子集成化的需要越来越高，FET器件的尺寸也越来越小，而普通FET器件散热性受材料本身限制很难有进一步的提高，石墨烯由于其优良的热导率制作出的FET器件“完美”的解决该问题。
自从场效应管发明以来，人们一直尝试将电场效应应用到金属材料上，制造金属基场效应管。利用金属制造晶体管不仅可以将尺度做小，而且可以降低功耗，并且使用频率高于传统半导体.但是由于金属屏蔽效应，电场在金属中的穿透深度小于1nm，因此制造金属晶体管时需要使用原子级厚度的金属薄膜。但是由于热动力学原因，当金属薄膜达到纳米级别时不能稳定存在。另外，对于金属而言，电场效应诱导的载流子浓度一般不会超过1013cm-2，比纳米尺度的金属薄膜中的本征载流子浓度低几个量级（近似可以忽略），通过电场效应很难实现调制载流子浓度，因此利用金属制造晶体管一直没有实现。
半金属Graphene不仅具有高载流子浓度和载流子迁移率，亚微米尺度的弹道输运特性和电场调制载流子特性，而且可以在室温下稳定存在，为Graphene 的实用化奠定了基础。利用Graphene制造的晶体管可以实现低功耗、高频率、小型化等特性。由于Graphene是半金属性材料（semi- metal），在狄拉克点处能带交叠，没有带隙，因此很难实现开关特性。为了使Graphene可以应用于晶体管的制造，通过各种方法在Graphene中形成带隙：
（1）通过对称性破缺场或相互作用等使Graphene简并度降低，朗道能级发生劈裂，在导带与价带之间引入能隙。这方面工作目前主要集中在双层Graphene 上，通过掺杂、外加电场以及基底作用诱导等方式引入对称破缺，实现人工调制
能隙。
（2）对于弱无序体系，被弱屏蔽的库仑相互作用可以改变带粒子图景，使Graphene出现能隙（量子霍尔铁磁）。
（3）通过尺寸效应或量子受限（如Graphene nanoribbons）引入能隙。Barone 等人通过密度泛函计算预言，对于手性纳米带，导带与价带间的带隙随着手性角的变化发生振荡。对于某些类型的Graphene纳米带，通过调节纳米带宽，也可以实现对带隙宽度的调节（能隙与纳米带宽之间存在反比关系）。
本项目将结合我们的研究优势对石墨烯开展深入系统的特色研究，从理论模拟、材料制备、器件制作三个层面开展全面工作，力求对中国军事的发展起到积极的推动作用。本项目针对石墨烯这一新物质形态的关键问题及前沿发展动态，结合我们自身的工作基础，以大面积、高质量石墨烯材料的可控制备为主要突破口，以石墨烯基超高频器件MOSFET应用为导向，最终制备出具有一定功能的电路模块。强调理论、材料和器件之间的互相促进与合作，有针对性地对石墨烯的若干基本科学问题开展研究，例如：探索高质量石墨烯的可控、晶圆级制备方法；测量其电、光、热、力学等宏观特性和局域性能，研究结构与物性的关联；研制基于石墨烯的超高频MOSFET器件和功能电路等，力求对中国军事装备特别是下一代武器用超高频元器件的发展起到积极的推动作用。
（二）军事需求分析
从上世纪80年代初起，美国国防部尖端技术研究规划署(DARPA)、国家航空和宇航局(NASA)一直重点进行毫米波固态器件和电路的研究，已经取得了令人瞩目的成果，已应用于新型武器装备上，如下表所示。
毫米波段武器应用举例
对于硅器件，其工作频率最多达到GHz范围，而W波段或更高频率的MMIC 所用的材料主要是InP-HBT、HEMT或者GaAs-MHEMT。其中国际上最新报道的InP MMIC低噪声放大器在W波段，噪声系数在2-5dB之间。但是，In资源正逐渐减少，同时InP单晶生长较难，易碎，且迁移率较难进一步提高，其器件性能已接近极限水平，人们一直在寻找迁移率和热导率更高的材料，晶片级石墨烯的出现有望解决这些难题。利用石墨烯超高速迁移率可以提高器件工作频率达到毫米波段，利用双层石墨烯的设计可有效避免豪格规则实现超低噪声特性，其意义不言而喻。目前，美国DARPA计划已将石墨烯研究方向定为毫米波低噪声放大器。
为了与时俱进，支持未来的国防现代化建设，实现灵活移动、快速反应、安全隐蔽的军事、宇航通信，满足21世纪新的和平事业和世界局势发展需要，研制石墨烯超高频低噪声器件显得异常必要。
军事用途
未来战争环境下，自动化、电子化、轻型化和信息化将成为军事发展的主要趋势。石墨烯由于其突出的物理和化学性能，将在军事方面大有作为，主要应用在军事航天、军事探测、极高频卫星通信系统等。
在军事航天领域，军事航天技术是以军事应用为目的、开发和利用太空的一门综合性工程技术。迄今世界各国共发射了5700多个航天器，其中70%用于军事目的。太空也已经成为未来战争的战场，为了掌握太空战场的控制权，各国都在加紧发展军事航天技术，而微电子技术则是基础技术之一。美国“战略防御倡议”（即星球大战计划）中的空间监视系统采用了超高速集成电路和微波毫米波单片集成电路（MMIC）。从表面上看，微电子电路分布在庞大的系统中的各个地方，其实却起着举足轻重的作用。
半导体微波毫米波器件的应用频段
和目前的3mm波段的主流产品InP基材料器件和电路比较起来，SiC衬底的高硬度和高热导率保障了器件的成品率和散热性。电子在石墨烯中是以隧穿的方式运动，器件的驱动电压可以很低。SiC衬底上的石墨烯是一种适合制备W波段或更高频低噪声放大器的材料。
美国国防先期研究计划局DARPA斥资2200万美元，开展CERA（射频应用的碳电子，Carbon Electronics for RF Applications）项目，用于研究石墨烯及基
于石墨烯（Graphene）沟道的超高速、超低噪声、超低功耗的场效应晶体管，以满足高端毫米波系统的应用需求。CERA计划始于2008年7月，终于2012年9月，分为三个阶段。如下表所示：
第一阶段的目标有两个：①初步确立石墨烯薄膜合成生长工艺，②验证石墨烯沟道FET制作工艺的可行性；第二阶段也有两个目标：①完善薄膜材料生长工艺，力求生长厚度精确控制在一个原子层，②演示超高速石墨烯FET；最后的第三阶段着重材料及器件性能、可生产性及可集成性的后期优化工作。最终成果是演示一个W波段（＞90GHz）的低噪声放大器，噪声系数≤1dB。计划不仅要求电路产出圆片尺寸达到8英寸，并且要求整张圆片的成品率优于90%。
如果在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数蒋主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。
低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的关键部件。L、S 波段低噪声放大器一般用于遥测、遥控系统。在电子对抗、雷达侦察中，由于要接收的信号的频率范围未知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，所以要求接收系机的频率足够宽，那么放大器的频率也要求足够宽。而且，雷达侦察接收的是雷达发射的折射波，是单程接收；而雷达接收的是目标回波，从而使侦察机远在雷达作用距离之外就能提早发现雷达目标。灵敏度高的接收机侦察距离就远，如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的发射，所以，要增高侦察距离，就要提高接收机灵敏度，就要求高性能的低噪声放大器。
在国际卫星通信应用中，低噪声放大器的主要发展要求是改进性能和降低成本。由于国际通信量年复一年地迅速增加，所以必须通过改进低噪声放大器的性能来满足不断增加的通信要求。因此，要不懈地不断努力去展宽带低噪声放大器的带宽和降低其噪声温度。从经济观点出发，卫星通信整个系统的成本必须减少到能与海底电缆系统相竞争。降低低噪声放大器的噪声温度是降低卫星通信系统成本的一种最有效的方法，因为地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性
能而减小。
另一方面，在国内卫星通信应用中，重点放在低噪声放大器的不用维修特性以及低噪声和宽带性能，因为在这些系统中越来越广泛地采用无人管理的工作方式，特别在电视接收地面站中更是如此。
卫星通信用的低噪声放大器可以分为两种类型——低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器。这些低噪声放大器用在几个频段内，包括4GHz，12 GHz和毫米波频段。宽带低噪声放大器的实现又有很多种类型。SiGe工艺具有优异的射频性能，更由于其较高的性价比，被广泛应用于移动通信、卫星定位和RFID等市场；SiGe工艺还可以与常规的数字模拟电路相集成，制造出功能完整的SoC芯片。目前采用SiGe材料制作射频集成电路已成为国际上的研究热点。实现前端的低噪声放大器是最近兴起的超宽带射频通信系统中的挑战之一。业界一直在追求完全集成的超宽带通信系统SOC，与其他工艺相比，CMOS工艺更易于系统集成，所以人们设计出了许多的CMOS工艺的超宽带低噪声放大器。
4GHz频段是目前卫星通信最通用的频段，它用于国际卫星通信和国内卫星通信，包括电视接收地面站。在这些领域内，已经研制出了各种各样的低噪声放大器并已得到了应用。低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器根据其冷却系统可以分为三种类型，即深致冷型式，热电致冷型式和非致冷型式。深致冷低噪声参量放大器在卫星通信的初期得到广泛的使用。而今天，除了一些特殊应用以外，这种型式的参放几乎不象以前那样广泛地使用，这是因为有维修困难等几方面的原因。热电致冷和非致冷低噪声参量放大器主要用在国际卫星通信地面站中，有时也用在国内卫星通信的关键地面站。由于变容管的改进和泵频的提高，这些低噪声放大器几乎具有深致冷参放那样的低噪声温度。场效应晶体管低噪声放大器主要用在国内卫星通信地面站中，特别是用在电视接收地面站中。在这些场合，几乎普遍采用热电致冷和非致冷型式。深致冷型式仅仅用在特殊的场合。
毫米波具有用小口径天线就可产生方向性强的窄波束和很小的旁瓣的特点，使得截获和干扰毫米波信号变得非常困难，因而隐蔽性和反电子侦察能力好，适合在军用保密通信中使用；另外，作为大气窗口频率，它在特殊频率下呈现出低衰减的特点，因此成为卫星、宇航通信的必需的手段；同时它又具有波长短和较强的穿透战场烟雾、尘埃、雨雪等的能力，可为雷达、成像、精确制导等提供
较高的目标分辨率和准全天候的作战能力，这些特别的优势使得采用毫米波技术的武器装备，如军用保密通信、导弹或灵巧炸弹的精确制导以及电子对抗和情报侦察等，在现代战争中占有越来越重要的地位。为此，从上世纪80年代初起，美国国防部尖端技术研究规划署(DARPA)、国家航空和宇航局(NASA)一直重点进行毫米波固态器件和电路的研究，目前已经取得了令人瞩目的成果，大量固态器件和芯片应用于新型武器装备上，在提高装备可靠性的同时还能大大缩小体积，满足军方对小型化的需求。目前，毫米波频段已在国外现有装备中使用，基于毫米波固态器件的雷达、精确制导系统、灵巧武器导引头、军用保密通信系统以及电子战对抗系统开始大量装备美军，并且在两次海湾战争和科索沃战争中取得了很好的实战效果。
毫米波频段低噪声放大器具有明确的军事应用背景——先进极高频卫星通信系统(AEHF)。先进极高频卫星通信系统（AEHF）作为新一代的卫星通信系统，用于全球范围的战略与战术指挥与控制通信，它将为所有作战人员提供全球性、高安全性、受保护和持久的通信，还具备监视别国卫星运行的能力。
C4ISR远景图
AEHF卫星具有低速率、中速率波形和扩展速率波形，采用了星上处理技术、星间链路技术，以及轻型多功能通信天线的组合阵列和宽带频率合成技术等，具备抗干扰、低检测概率、低截获概率的特点和先进的加密系统，且能与其他军用网络兼容。AEHF能够支持动中通，能过提供数据、语音、视频会议和图像传输业务，能为国家战略和战术力量在各种级别的冲突中提供安全、可靠的全球卫星通信。它还能为那些需要快速、精确信息的用户提供实时地图、目标信息和先进的智能监视和侦察信息，能极大增强在作战时的C4ISR（指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察）能力，其卫星位于赤道上空36000千米的轨道上。毫米波频段低噪声放大器作为AEHF卫星通信系统的前端器件，主要用于毫米波频段信号的接收，在情报收集、电子对抗、抗干扰等方面具有广泛的应用，具有极高的军事价值。
各种星载雷达、宇航通信装备的需求大大推动了毫米波固态器件的发展，它对我国航天事业的发展与进步尤起着至关重要的作用。另外，未来的外太空探索研究和各种星球探测器的登陆设备也需要毫米波电路进行控制和通信。近年来，随着西方军事强国的技术进步，毫米波电路已经逐渐成为主流技术，频率高
达上百GHz的成品不断涌现；当前，国产自主研发的毫米波电路技术与之比较仍有很大的差距。为了适应未来的国防现代化建设，实现灵活移动、快速反应，安全隐蔽的军事、宇航通信，研制毫米波单片集成电路便显得异常必要。
极高频卫星通信系统是指星上的主要通信设备上行传输频率为极高频(44GHz)，它比特高频(UHF)、超高频(SHF)频率高，下行传输频率为超高频(20GHz)，是美军军事卫星通信(MILSATCOM)体系结构中最关键的系统。极高频卫星通信系统又称军事战略战术中继卫星系统(Milstar)，它将为美军的战略指挥控制和战术部队提供保密、抗干扰通信，具有能支持全面战争的能力。未来的军事卫星系统向更高的EHF频段拓展。采用EHF频段有很多现有其它频段无可比拟的优点，一是扩大EHF频段的容量，大大减轻现有频谱拥挤现象；二是EHF 的波束窄，可减少受核爆炸影响出现的信号闪烁和衰落，抗干扰和抗截收能力强。三是EHF 频段系统使用的部件尺寸和重量都可大大缩小和减轻。但是，EHF卫星技术复杂，造价高昂，从EHF频段向更高的频段拓展需要一个较长时期。目前，世界上除美军外，其他国家还不具备极高频卫星通信能力。换句话说，极高频卫星通信系统是美军在目前和最近一个时期唯一拥有的最先进的通信系统，是美军指挥控制系统中的“杀手锏”，它所提供的保密和抗干扰的通信能力将对美军的全球战略发挥重大作用。
据美国《空军杂志》网站近日报道：美国诺斯罗普·格鲁门公司近日宣布，B-2隐身轰炸机极高频（EHF）卫星通信系统升级计划已经开始进行试飞。根据该升级计划，将会为B-2轰炸机配备全新的处理硬件和通信装置，从而增强该机的连通性。据诺·格公司透露，自2010年9月1日以来，一架派驻加利福尼亚州爱德华兹空军基地担负测试任务的B-2飞机就一直携带着上述设备（主要包括新型综合处理单元、磁盘驱动器和光缆）进行试飞。加装上述设备是B-2轰炸机EHF卫星通信系统升级计划”增量”1阶段的主要内容，诺·格公司曾于今年三月宣布已经开始在B-2轰炸机上安装这些设备。
整个B-2轰炸机EHF卫星通信系统升级计划包括不同复杂程度的三个阶段（“增量”1～3）。诺·格公司声称，当整个升级计划完成后，B-2轰炸机将能通过卫星传送和接收战场信息，其速度将比目前快100倍以上。
美国空军列装的B-2隐形轰炸机
武器装备对于战争来说具有重要的决定作用，在科技高速发展的今天尤为
突出，电子战、信息战已经出现端倪，高科技武器系统对现代军事的影响越来越大，其中电子对抗技术、相控阵雷达远程侦测技术和灵巧武器精确打击技术正逐渐成为现在战争的主要手段。
目前在3mm波段国外已经有显示装备在使用中，例如：SEA TRACS系统是美国海军单面武器中心研制的一部毫米波舰载火控雷达，它的低俯仰角特性用于近程防空，其海面搜索系统和检测能力用于搜索潜望镜。其后续型SEA TRACS II频率提高至94GHz；mini-PEV小型无人驾驶飞机雷达是美国Martin Mariett公司为陆军研制的94GHz雷达系统，用于坦克定位和捕获，在能见度差，有烟雾和密林伪装的情况下，对敌方目标的识别性能胜过红外前视系统；美国Hughes 公司研制的Wasp空地导弹在用94GHz主动/被动复合制导系统，在严重地物杂波的环境下不但可以发现、识别目标，而且还具有选择不同目标的能力。美国Northrop Grumman已经研制了1024单元的3mm焦平面器件。这些核心芯片应用在空间和电子战系统上能够极大提高战场侦知能力。毫米波高端系统正是我们未来需求大力发展的国防装备之一。
神舟系统的成功发射和嫦娥探月工程的逐步实施将我国的宇航事业更上一层新的台阶，各种星载雷达、宇航通信装备的需求将大大增强，毫米波电路系统更是其中的关键部件，它对我国航天事业的发展和进步尤起着至关重要的作用。另外，未来的外太空探索研究和各种星球探测器的登陆设备均需要毫米波电路进行控制和通信。
现有毫米波器件发展水平
2002年美国Triquint公司采用0.15um GaAs PHEMT工艺推出了两款8mm 低噪声放大器——TGA4507和TGA4508。其中，TGA4507的工作频率为28～36GHz、增益为22dB、噪声系数为2.3dB；TGA4508的工作频率为30～42GHz、增益为21dB、噪声系数为2.8dB。
Hittite公司目前代销了NGST的两款低噪声芯片HMC-ALH369、HMC-ALH376，两款芯片均为GaAs HEMT工艺，其中ALH369工作频率为24～40GHz、增益大于18dB、噪声系数小于2.0dB；ALH376的工作频率为35～45GHz、增益大于12dB、噪声系数小于2.0dB。
2008年，美国mimix-broadband公司也发布了一款Q波段GaAs LNA芯片XB1005-BD，工作频率为35～45GHz、增益为大于20dB、典型噪声指数为2.7dB
左右。
2008年Triquint公司基于0.15um GaAs PHEMT工艺设计了V波段低噪声放大器，其工作频率为57～65GHz、增益为13dB、噪声指数为4dB。
目前大多数GaN HEMT研究针对的频段为S波段和X波段，在S波段主要用于移动通信基站，在X波段主要有电子对抗、相控阵雷达等军事应用。越来越多的GaN HEMT研究将工作频率扩展到Ka波段（26-40GHz）甚至毫米波段，目标是取代行波管放大器应用于雷达以及卫星和宽带无线通讯。工作频率的提高要求器件的栅长不断缩小，对于Ka以上波段的GaN HEMT栅长一般小于300nm，甚至要达到100nm左右。栅长的缩短一方面增加了工艺难度，更为重要的是短沟道效应的抑制对器件结构的设计提出了新的挑战。
MOCVD GaN HEMT在40GHz的微波功率测试结果
加入In0.1Ga0.9N背势垒层的GaN HEMT导带示意图
Mishra等人研制了栅长为160nm GaN HEMT器件，所用MOCVD外延材料的二维电子气浓度为1.4×1013cm-2，迁移率1350cm2/Vs，MBE外延材料的二维电子气浓度为 1.0×1013cm-2，迁移率1500cm2/Vs。器件的最大电流为1200-1400mA/mm，最大跨导400-450mS/mm，击穿电压大于80V，f T 60-70GHz，fmax 85-100GHz。MOCVD GaN HEMT在40GHz的微波功率测试结果显示，漏电压为30V时，最大输出功率密度为10.5W/mm，PAE为33％。MBE GaN HEMT 也显示了很好的微波功率结果，在40GHz漏电压为30V时，最大输出功率密度为8.6W/mm，PAE为29％。但是，较低的PAE和fmax限制了器件的增益，只有5-7dB。钝化介质的寄生参数和短沟道效应是导致器件频率特性不太理想主要原因。去除钝化介质后，器件的f T提高到130GHz，f max提高到140-170GHz。
器件的栅长过短使得栅对二维电子气的束缚减弱，调制效率降低。短沟道效应导致器件出现软夹断、夹断电压漂移、夹断电流高以及输出阻抗增加等问题。在沟道中加入禁带较窄的材料如InGaN，形成双异质结结构，可以加强对二维电子气的束缚。但是沟道中InGaN的加入降低了器件的击穿电压，因而降低了器件的输出功率。为了在加强对二维电子气的束缚的同时不降低击穿电压，Mishra 等人将1nm厚的In0.1Ga0.9N加入到GaN缓冲层和GaN沟道之间。如上图所示，1nm的In0.1Ga0.9N背势垒层造成沟道和缓冲层之间0.2eV的导带不连续，因此加
强了对二维电子气的束缚。栅长为150nm的GaN HEMT跨导曲线随漏电压的变化，普通GaN HEMT的跨导特性随漏电压的增大不断退化，夹断电压从漏电压10V时的-5V减小到50V时的-8V以下，而且夹断特性明显变差；而对于带InGaN 背势垒层的GaN HEMT，夹断电压在相同条件下只是从-3V减小-4V，在漏电压为50V时夹断特性仍然非常好。器件的频率特性也得到了相应的改善，其中fmax 提高了18％。在去除钝化介质后，100nm栅长带InGaN背势垒层的GaN HEMT f T最高达153GHz，f max最高达230GHz。功率测试表明，功率密度虽然没有明显提高，但PAE从50％提高到64-69％。
最近，西方发达国家特别是美国在继续提升器件高频特性，不断优化制作工艺的同时，也逐步开展了InP PHEMT单片集成电路的研究，研发了多款Q波段单片集成电路；取得了InP MMIC方面的绝对优势，众多产品已经实现了装备化，这种领先的电子装备不但使他们的军事实力大大增强，而且在未来的外太空探索和宇宙开发中占得先机。美国休斯公司采用InP HEMT工艺研发了一款Q 波段低噪声放大器。其中，工作频率为43.3～45.7GHz、增益大于20dB、噪声系数小于2.0dB。
在应用用领域，HXi公司和quinstar公司是美国具有代表性的两家毫米波系统应用公司，HXi公司目前有两款通用型Q波段低噪声放大器HLNAAK-066和HLNAB-282，增益分别为24dB和16dB左右，噪声系数分别为4.0dB和5.5dB；quinstar公司有多种Q波段低噪声放大器产品，其噪声系数在3.5-4.5dB左右，增益在18-46dB之间分布。
石墨烯毫米波器件优势
由于电子在石墨烯中可不被散射而进行传输，用其制备的晶体管尺寸更小、速度更快，能耗更低，适于高性能、高集成度的RF系统级芯片（SoC）应用。
石墨烯器件工艺与传统的CMOS工艺兼容，是器件关键材料的更新换代的首选。专家预测石墨烯的研究成果将对高端军用系统的创新发展产生难以估量的冲击力，包括毫米波精密成像系统、毫米波超宽带通信系统、雷达及电子战系统等。
石墨烯由于其特有的高迁移率、好的噪声性能等，在低噪声放大应用中有很大的优势，能广泛的应用于W波段以及以上波段的毫米波单片集成电路（MMIC）和低噪声放大器等电路中，因而成为近期研究的一个热点。
二、国内外研究概况、水平和发展趋势
（一）国外研究现状及发展趋势
2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆课题组首次找到一种把石墨层粘贴在透明胶上，然后反复数次把石墨与胶带分开，最后得到石墨烯（石墨单层）的方法，并制作出了世界最小晶体管，由此获得了2010年诺贝尔物理学奖。由于石墨烯严格的二维结构，它蕴涵着许多新的物理以及潜在应用，因此它成为目前科学研究的热点之一。
自2004年Andre.K.Geim教授和Kostya.Novoselov研究员首次制备出石墨烯以来，石墨烯受到全世界科学家的广泛关注，下图表示出了近几年石墨烯的文章SCI收录情况，以每年翻番的速度增长。
近几年石墨烯的文章SCI收录情况
早在1999年，Lu等就用氧等离子刻蚀，在以SiO2为基底的高定向热裂解石墨上刻蚀出了厚度约为200nm的石墨层。G．Chen等采用超声波粉碎经过酸插层的膨胀石墨，首次大量制备出厚度几十纳米的纳米石墨微片。Liu等首次报道了用水合联氨还原聚苯胺插层氧化石墨化合物，还原后化合物的导电性增加了1个数量级。2005年Srivastava等采用微波增强化学气相沉积法，在Ni包裹的Si衬底上生长出了20nm左右厚度的“花瓣状”的石墨片，并研究了微波功率大小对石墨片形貌的影响。2006年Niyogi等研究了用十八胺对氧化石墨表面进行改性，制得长链烷基改性石墨。Li等在Stankovich等研究的基础上，利用还原氧化石墨的方法在没有任何化学稳定剂的情况下，通过控制石墨层间的静电力，制备出了在水中稳定分散的石墨烯溶液。2007年，Zhu等通过调整合成碳纳米管的参数，在没有催化剂的情况下用电感耦合频射等离子体化学气相沉积法在多种衬底上生长出了纳米石墨微片。这种纳米薄膜垂直生长在衬底上，类似于Srivastava等的“花瓣状”纳米片。
2006年，Heer等首次将SiC置于高真空，1300℃下，使SiC薄膜中的Si 原子蒸发出来，生成连续的二维石墨烯薄膜。这种方法制备出来的二维石墨烯薄膜厚度仅为1-2碳原子层。
2008年，Konstantin V. Emtsev等人在Ar气保护氛围下将SiC进行高温退火，相对Heer等真空退火的方法，制得的石墨烯薄膜的均匀性及质量都大大改善。
许多发达国家都对石墨烯的研究投入了大量的人力和财力。美国近年来对石墨烯的经费投入非常巨大，大大推动了他们在该方面的科学进展。在匹兹堡举行的美国物理学会年会上，石墨烯是科学家们谈论的主要话题。研究人员用23场讨论分会探讨有关这种材料的问题。
韩国科学家在制备大尺寸、高质量的石墨烯薄膜方面取得了突破性进展。根据《Nature》报道，韩国研究人员近日发现了一种制备大尺寸石墨烯薄膜的方法。这种石墨烯薄膜不仅具备高硬度和高拉伸强度，其电学特性也是现有材料中最好的，这些单原子层厚的碳薄片是非常有前途的材料。可惜这种材料是在金属衬底上制备的，不适合做微波高频器件。
2011年，美国宾夕法尼亚大学研制出100mm直径的石墨烯晶片。
2011年初，美国普渡大学研制出SiC上石墨烯材料的迁移率为18700cm2V-1s-1。
2008年3月，IBM沃森研究中心的科学家在世界上率先制成了基于SiC衬底的低噪声石墨烯晶体管。普通的纳米器件随着尺寸的减小，被称做1/f的噪音会越来越明显，使器件信噪比恶化。这种现象就是“豪格规则(Hooge's law)”，石墨烯、碳纳米管以及硅材料都会产生该现象。因此，如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM通过重叠两层石墨烯，试制成功了晶体管。由于两层石墨烯之间生成了强电子结合，从而控制了1/f噪音。IBM华裔研究人员林育明的该发现证明，两层石墨烯有望应用于各种各样的领域。
IBM采用双层石墨烯结构降低器件噪声
2008年6月底，日本东北大学电通信所末光真希教授将SiC在真空条件下加热至1000多度，除去硅而余下碳，通过自组形式形成单层石墨烯。末光教授的团队通过控制SiC形成时的结晶方向和Si衬底切割的结晶方向，得到了100×150平方微米面积的两层石墨膜，其晶格畸变率仅为1.7%。其他科研团队利用传统方法的晶格畸变率为20%，因而不能制成可实际应用的器件。
2009年5月，HRL实验室宣称在高质量2英寸石墨烯薄膜及其射频场效应晶体管方面取得了突破，下图显示了器件的结构和电子输运特性。HRL资深科学家Jeong-Sun Moon表示，该器件拥有全球最高的场迁移率，约6000cm2/Vs，是现阶段最先进硅基n-MOSFET的6-8倍。他们使用Aixtron的VP508 CVD反应设备，通过从6H-SiC晶体中升华硅的方法，成功制成了石墨烯薄膜。之后使
用标准的光刻胶工艺和氧反应离子刻蚀技术制备了晶体管。源极和漏极接触是钛、铂和金的合金，使用原子层沉积技术制备20nm厚的氧化铝栅电介质，事实上这样做捕获了界面电荷，可能会导致器件性能下降。
HRL实验室在2英寸石墨烯薄膜上的射频场效应晶体管2009年，意大利的科研人员成功地用石墨烯制造了首枚包含两个晶体管的集成电路，它拥有简单的计算能力，标制着碳基电子学时代的到来。这枚只有两个晶体管的集成电路虽然很小，却是向制造碳基高性能电子器件迈出的重要一步。
在2010年2月出版的《Science》杂志上，IBM的研究人员展示了一种由SiC单晶衬底上生长石墨烯材料制作而成的场效应晶体管（FET），其截止频率可达100 GHz，这是运行速度最快的射频石墨烯晶体管。这一成就是美国国防部高级研究计划局(DARPA)“碳电子射频应用项目”(CERA)取得的重大进展，为研发下一代通信设备铺平了道路。研究人员通过使用与现行的先进硅器件制造技术相兼容的加工技术制成了晶圆规模、外延生长的石墨烯，从而达成了此高频记录。
2010年6月，石墨烯FET突破上次记录。来自IBM公司的Ph.Avouris，林育明等人运用SiC高温升华法，把2英寸4H-SiC Si面衬底在1450℃下高温退火，制得大部分由单层石墨烯覆盖的2英寸片。经氧等离子体刻蚀形成沟道区，热蒸发源漏金属电极，ALD方法制备栅电介质，最终制备出栅长为90nm，截止频率f T达到170GHz的FET器件。
2011年6月10日，IBM 的研究人员在《Science》上发表了晶圆级石墨烯集成电路的最新结果，将石墨烯场效应晶体管和电感单片集成在SiC衬底上，研制出最高可工作到10GHz的宽带混频器集成电路，如下图所示。
IBM最新研制的石墨烯混频器照片
科学家们认为，这项突破可能预示着，未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片，相关研究发表在最新一期《Science》杂志上。该集成电路建立在一块SiC上，并且由一些石墨烯场效应晶体管组成。去年，IBM公司托马斯·沃森研究中心科学家林育明领导的团队展示了首块基于石墨烯的晶体管，其能在100 GHz的频率上运行，但这次，该团队将其整合进一块完整的集成电路中。按照美国电气与电子工程师学会（IEEE）出版的《IEEE波普》杂志的解释，这块集成电路是一
个宽频无线电频率混频器，该集成电路通过找出两个输入频率的和与差来输出新的无线电信号。科学家们表示，最新的石墨烯集成电路混频最多可达10GHz，而且其可以承受125℃的高温。
正如IBM 公司负责科研的副总裁陈自强博士表示，石墨烯的一大优势在于其中的电子可实现极高速的传输，这对于下一代高速、高性能晶体管的研发来说是至关重要的。上述一系列技术突破清楚地表明了石墨烯在高性能器件和集成电路方面的巨大应用前景。
美国已经把石墨烯定位于最可能取代Si材料的下一代半导体材料，军方、企业界、大学都花了很大的人力、财力、物力进行石墨烯材料和器件的研究。DAPRA统筹规划，从石墨烯材料制备、器件工艺、电路等方向齐头并进，最终制作出W波段的低噪声放大器。
能够放大微波射频信号的元件有很多，速调管和行波管专门用于高功率场合下放大微波射频信号，而且噪声很高；参量放大器可用于低噪声放大，但是带宽较窄；利用半导体材料的雪崩效应工作的雪崩二极管，因为其噪声较大多数用作负载功率放大器；另外，还有隧道二极管、体效应二极管等微波固体器件，但前者承受信号功率小，易于烧毁而应用很少，而后者工作电压低、调频噪声小而多用于振荡器。量子放大器的噪声系数最好，但是它庞大而且昂贵。
到上世纪四十年代微波晶体管的问世，由于其体积小、重量轻使得其成为微波固体器件的一个重要分支。到了六十年代中期，由于平面外延工艺的发展，双极晶体管能够应用于微波射频波段。而且，随着半导体材料和工艺的迅速发展，场效应晶体管紧接着也应用于微波射频频段。微波晶体管放大器具有宽频带、稳定性好、噪声性能好、动态范围大等优点。
射频低噪声放大器的设计过程是一个多个性能指标参数折中的过程，它的性能参数包括工作频率、功率增益、噪声系数、输入输出匹配、线性度和直流功耗以及稳定性等。随着CMOS工艺水平的不断提高，设计方法的不断进步，CMOS 射频低噪声放大器的性能越来越高。当然，现代无线通信系统对LNA的要求也越来越高，这必然也推动着人们不断去研究探索出新的性能更完善的LNA。
在低噪声放大器的设计过程中，我们通常都有好几个目标，比如要使噪声尽可能地小，提供足够增益的同时要有足够的线性度，以及要能提供一个稳定的50Ω输入阻抗，当然在便携设备中还有一个要求就是功耗要尽可能地低。当低噪