石墨烯微电子与光电子器件

石墨烯的出现打开了二维材料世界的大门，新物理、新器件和新应用层出不穷！石墨烯具有优异的力、热、光、电特性，被广泛应用于复合材料、环境、生物医药、能源和信息领域。在信息领域，石墨烯能够充分发挥其优良光、电性能，可分别实现信息获取、信息处理和信息传输等信息技术核心功能。我国对石墨烯信息技术发展十分重视，华为技术有限公司创始人任正非认为石墨烯时代会代替硅时代，石墨烯有潜力像硅一样在信息技术领域发挥重大作用。石墨烯微电子与光电子器件作为石墨烯在信息领域发挥重要作用的载体，引起广泛关注。剑桥大学石墨烯中心围绕石墨烯电子和石墨烯光电子开展科学研究；曼彻斯特大学国家石墨烯研究院围绕石墨烯在５G领域的应用展开研究，开展了石墨烯射频、石墨烯光子和石墨烯集成技术相关工作；欧盟和美国也在石墨烯信息领域，特别是石墨烯微电子与光电子器件领域布局大量科研项目。大力发展新材料技术是我国在信息领域弯道超车的重要途径，中央和地方均极为重视新材料技术的发展。在国家政策确立石墨烯新材料之王地位、集中力量促进石墨烯发展的背景下，各级政府将石墨烯产业作为地方产业升级换代的突破口，纷纷成立石墨烯相关产业园区或企业联盟。石墨烯相关书籍作为石墨烯相关科学技术的重要传播媒介，能够促进石墨烯产业的发展。目前，石墨烯电子信息技术相关书籍较少，尤其是针对石墨烯微电子与光电子器件的书籍还有待完善，因此，编著石墨烯微电子与光电子器件相关书籍具有重要意义，能够为石墨烯信息技术的发展提供助力。本书收录了我们课题组近些年来在石墨烯微电子与光电子器件领域的相关成果和国内外研究进展。首先介绍石墨烯的基本光电特性，然后介绍石墨烯晶体管以及基于石墨烯晶体管的新型石墨烯微电子器件，石墨烯光调制器和石墨烯光探测器等石墨烯光电子器件，还介绍了石墨烯光电子器件与传统硅CMOS电路单片集成芯片。本书力求将较为完整的石墨烯微电子与光电子器件的基础知识和研究全貌展示给读者，期望对读者掌握石墨烯微电子与光电子器件的基础知识和相关研究中的关键科学问题有所帮助。本书框架由陈弘达研究员提出，全书内容由陈弘达研究员统筹安排完成。本书中石墨烯微电子器件部分主要由毛旭瑞负责完成，石墨烯光电子器件部分主要由程传同负责完成，石墨烯光电子器件与硅CMOS电路单片集成芯片部分主要由黄北举负责完成。陈润、张恒杰等研究生对本书的完成做出了贡献。本书所涉及的研究成果是作者在国家自然科学基金项目、科技部重点专项和博士后科学基金的支持下完成的，在此表示感谢！限于作者水平，书中难免有疏漏之处，敬请专家和读者批评指正。陈弘达2019年5月

本书总结了近年石墨烯微电子与光电子器件领域的相关研究成果和国内外研究进展，包括石墨烯的基本光电特性，石墨烯晶体管以及基于石墨烯晶体管的新型石墨烯微电子器件，石墨烯光调制器和石墨烯光探测器等石墨烯光电子器件，石墨烯光电子器件与传统硅CMOS电路单片集成芯片等内容。本书力求将较为完整的石墨烯微电子与光电子器件的基础知识和研究全貌展示给读者，期望对读者掌握石墨烯微电子与光电子器件的基础知识和相关研究中的关键科学问题有所帮助。本书可供从事石墨烯微电子与光电子器件研究的科技工作者使用，也可作为高等院校相关专业的参考用书。

陈弘达，中科院半导体所研究员。曾任中科院半导体所副所长，兼中国科学院研究生院教授，国家863计划新材料领域专家组成员，《半导体科学与技术丛书》副主编，中国电子学会半导体与集成技术分会委员，中国光学学会光电技术专业委员会委员，中国材料研究学会青年委员会常务理事，北京电子学会半导体专业委员会委员，国际电气与电子工程师协会（IEEE）会员，中国电子学会高级会员。　　长期从事光电子与微电子学方面的科研和教学工作，目前研究方向为光电子与微电子集成器件、集成电路与系统。八五期间，成功研制出半导体多量子阱光探测器、光调制器列阵。九五十五期间，负责承担多项国家863项目和国家自然科学基金项目，成功研制出64×64 SEED与CMOS电路倒装焊光电子集成面阵器件、基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）多信道光发射接收模块、硅基光探测器与CMOS电路单片集成的光电子集成电路（OEIC），提出了与CMOS工艺兼容的硅基发光器件模型。在国内外学术刊物和会议上发表论文50余篇，编著《甚短距离光传输技术》《微电子与光电子集成技术》2本专著，申请发明专利18项。 　　目前研究领域：包括新型信息光电子器件；光子晶体器件与集成光路；深亚微米高速集成电路和射频电路；微光电子系统集成芯片（SOC）；微光电子集成电路（OEIC）与系统；高速并行光传输模块及其在光网络、光互连中的应用；甚短距离（VSR）高速并行光通信网络系统。目前正在负责承担着国家自然科学基金重点项目硅基单片光电子集成回路（OEIC）的关键技术及相关理论研究、面上项目植入生物体的专用集成电路及相关模型研究等。

第1章 绪论
１.１ 引言 
１.２ 石墨烯基本物理特性 
１.２.１ 能带结构 
１.２.２ 电学特性 
１.２.３ 光学特性
１.２.４ 光电特性
１.３ 石墨烯场效应晶体管 
１.３.１ GFET结构与基本特性 
１.３.２ GFET发展现状
１.３.３ GFET在射频领域的应用介绍
１.４ 石墨烯光电探测器 
１.４.１ GPD基本结构与特性 
１.４.２ GPD发展现状
１.４.３ GPD潜在应用
１.５ 石墨烯器件制作工艺
１.５.１ 石墨烯转移技术
１.５.２ 石墨烯图形化
１.５.３ 石墨烯电连接
１.６ 从石墨烯分立器件到石墨烯集成芯片

第2章 石墨烯电子器件
２.１ 石墨烯场效应管概述
２.１.１ 石墨烯的晶格结构 
２.１.２ 石墨烯场效应管的特性
２.２ 石墨烯场效应管制备方法 
２.２.１ 适用于石墨烯电子器件的石墨烯材料制备方法
２.２.２ 石墨烯场效应晶体管电子器件制备方法
２.３ 石墨烯射频微电子器件 
２.３.１ GFET倍频器
２.３.２ GFET混频器 
２.３.３ GFET鉴相器 
２.３.４ 石墨烯二极管 
２.４ 石墨烯与六方氮化硼
２.４.１ 六方氮化硼（hBN）
２.４.２ 六方氮化硼包裹的石墨烯电子器件
２.５ GFET和柔性电子 
２.６ 石墨烯传感器
２.６.１ 石墨烯气体传感器
２.６.２ 石墨烯压力传感器 
２.７ 石墨烯场效应管的电流 电压特性和模型 
２.７.１ U型转移特性 
２.７.２ 弱饱和特性 
２.７.３ Kink区特性 
２.７.４ GFET的物理模型（Thiele模型）
２.７.５ GFET物理模型的化简和工程近似———解析模型
２.８ GFET功能电路 
２.８.１ GFET反相器
２.８.２ GFET微分负阻电路
２.８.３ GFET共模差模变换电路
２.８.４ 晶圆级GFET集成电路 
２.９ 石墨烯场效隧穿器件和电路
２.９.１ 石墨烯场效应隧穿晶体管的微分负阻特性 
２.９.２ 验证GTFET电特性的实验
２.１０ 石墨烯倍频器
２.１０.１ 基于GFET的高纯度三倍频器
２.１０.２ 基于双栅GFET的可调倍频器
２.１１ 小结

第3章 石墨烯光调制器
３.１ 引言 
３.２ 石墨烯光调制的机理 
３.３ 石墨烯电光调制器 
３.３.１ 波导型电光调制器
３.３.２ 空间电光调制器 
３.３.３ 直接调制石墨烯光源 
３.４ 石墨烯辅助微环光调制器
３.４.１ 微环光调制机理
３.４.２ 石墨烯辅助热光微环调制器
３.４.３ 石墨烯辅助电光微环调制器
３.５ 石墨烯全光调制器
３.５.１ 全光调制器机理 
３.５.２ 石墨烯全光调制器 
３.５.３ 石墨烯全光调制的应用

第4章 石墨烯光电探测器
４.１ 引言 
４.２ 石墨烯光电转换特性 
４.２.１ 光电转换过程介绍 
４.２.２ 石墨烯光电探测机理
４.３ 高速石墨烯光电探测器
４.３.１ 表面入射石墨烯光电探测器
４.３.２ 波导集成石墨烯光电探测器 
４.４ 高灵敏度石墨烯光电探测器 
４.４.１ 石墨烯／半导体材料异质增强
４.４.２ 石墨烯／半导体量子点薄膜异质增强
４.４.３ 石墨烯／二维材料异质增强
４.４.４ 石墨烯／金属氧化物异质增强 
４.４.５ 石墨烯／离子化合物异质增强 
４.５ 零偏压石墨烯光探测器 
４.５.１ 石墨烯／金属异质结构
４.５.２ 石墨烯半导体异质结构 
４.５.３ 石墨烯pn结 
４.６ 高稳定性低功耗石墨烯光电探测器
４.６.１ 器件设计 
４.６.２ 器件加工和测试 
４.６.３ 工作意义 
４.７ 石墨烯探测器的应用介绍
４.７.１ 红外探测 
４.７.２ THz探测
４.７.３ 频率变换 

第5章 石墨烯光电器件与硅CMOS芯片集成
５.１ 单片集成石墨烯光接收机芯片 
５.１.１ 光接收机前端CMOS电路 
５.１.２ 石墨烯光电探测器和CMOS前端接收电路单片集成 
５.２ 单片集成石墨烯红外成像芯片
５.２.１ 红外成像概述
５.２.２ 石墨烯探测器阵列读出电路
５.２.３ 石墨烯探测器阵列与CMOS读出电路单片集成

第6章 展望
６.１ 石墨烯信息器件应用前景 
６.２ 高灵敏度石墨烯传感器 
６.３ 高速光互连芯片 

参考文献
索引

“战略前沿新材料——石墨烯出版工程”：“十三五”国家重点出版物出版规划项目/国家出版基金石墨烯是碳的同素异形体大家族的又一个传奇，也是当今横跨学术界和产业界的超级明星，几乎到了家喻户晓、妇孺皆知的程度。当然，石墨烯是当之无愧的。作为由单层碳原子构成的蜂窝状二维原子晶体材料，石墨烯拥有无与伦比的特性。理论上讲，它是导电性和导热性较好的材料，也是理想的轻质高强材料。正因如此，一经问世便吸引了全球范围的关注。石墨烯有可能创造一个全新的产业，石墨烯产业将成为未来全球高科技产业竞争的高地，这一点已经成为国内外学术界和产业界的共识。从2004年至今，已经有了近十六年的历史沉淀。无论是石墨烯的基础研究，还是石墨烯材料的产业化实践，人们都有了更多的一手材料，更有可能对石墨烯材料有一个全方位套丛书出的、科学的、理性的认识。总结历史，是为了更好地走向未来。对于新兴的石墨烯产业来说，战略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意义也是不言而喻的。事实上，国内外已经出版了数十部石墨烯相关书籍，其中不乏经典性著作。本丛书的定位有所不同，希望能够全面总结石墨烯相关的知识积累，反映石墨烯领域的国内外前沿研究进展，展示石墨烯新材料的产业化现状与发展前景，尤其希望能够充分体现国人对石墨烯领域的贡献。本丛书共包括22分册，执笔作者20余位，都是石墨烯领域的重量级学者、专家，因此可以从源头上保障丛书的专业性和科学性。丛书分五大部分，囊括了从石墨烯的基本性质和表征技术，到石墨烯材料的制备方法及其在不同领域的应用，以及石墨烯产品的计量检测标准等全方位的知识总结。同时，两份产业研究报告详细阐述了世界各国的石墨烯产业发展现状和未来发展趋势。除此之外，丛书还为广大石墨烯迷们提供了一份科普读物《有问必答：石墨烯的魅力》，针对广泛征集到的石墨烯相关问题答疑解惑，去伪求真。本丛书的内容涵盖石墨烯新材料的方方面面，每个分册也相对独立，具有很强的系统性、知识性、专业性和即时性，凝聚着各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的广大读者参考使用。希望丛书的出版对中国的石墨烯研究和中国石墨烯产业的健康发展有所助益。