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石墨烯作为一种零带隙的二维材料有着很多优异的性质，比如高迁移率、高饱和速度、高热导率、可弯曲性等，可被广泛地应用于高速射频电路、气体传感、柔性电子学等诸多方面。在射频电子学领域，学术界对石墨烯射频器件和电路的研究已超过十年。到目前为止，石墨烯射频器件的性能得到了大幅提升，其本征截止频率超过400GHz，最大振荡频率高达200GHz。然而目前对石墨烯射频电子学的研究，一方面集中在单个器件或者由少数几个器件组成的电路，而在晶圆级石墨烯射频器件方面的研究却寥寥无几。另一方面，绝大部分文献报道的石墨烯射频器件是基于单层石墨烯，其功率增益较低，限制了其在高增益无线通信方面的应用。
在本文中，对晶圆级单层石墨烯射频器件的均一性以及贝纳尔堆叠双层石墨烯的低频噪声和射频特性进行了详细研究。研究内容主要包括以下几个方面：
一、晶圆级单层石墨烯和大尺寸贝纳尔堆叠双层石墨烯的制备：利用化学气相沉积生长方法，在铜箔盒子内表面生长出了大面积单层石墨烯薄膜。随后采用湿法化学刻蚀方法将铜箔盒子内侧的石墨烯转移到4英寸HfSiO/Si晶圆衬底上。在整个晶圆上，石墨烯拉曼光谱中2D峰半高宽平均值为35.57cm-1，标准差为2.33cm-1，对应离散系数为0.07。此外，多层石墨烯在整个晶圆上占比低于6%，表明生长转移得到的是高均一性晶圆级单层石墨烯薄膜。在贝纳尔堆叠双层石墨烯生长方面，主要利用了铜箔盒子内部碳原子的外扩散机制。生长时间为120分钟时，在铜箔盒子外侧生长出了尺寸接近100μm高质量贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶，进一步增加生长时间之后贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶尺寸超过600μm。
二、双栅石墨烯器件制备工艺和贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的低频噪声特性：首先开发了两种制备石墨烯器件顶栅介质的方法，同时通过低温测量方法得出贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙超过40meV。接着研究了以原子层沉积生长双栅介质的贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的低频噪声特性。测试结果表明不同背栅偏压下器件的归一化噪声谱密度和顶栅电压之间均为M型关系，且这种依赖关系可以很好地用charge-noise模型来解释。在常温且频率为10Hz时，器件的面积归一化噪声谱密度低至3×10-10μm2/Hz，是文献报道中石墨烯噪声水平的最优结果之一。
三、石墨烯射频器件物理和晶圆级单层石墨烯射频器件：首先介绍了基本射频测量方面的知识，包括S参量定义和求解、射频测试系统校准和射频器件去嵌方法。接着对石墨烯射频器件物理和小信号电路模型进行了详细介绍。在理论分析之后，我们首次对4英寸HfSiO/Si晶圆上数百个石墨烯晶体管的直流和射频性能均一性进行了系统研究。对于直流性能，栅极长度为0.8μm的器件，其狄拉克点电压和最大跨导对应的离散系数分别低至0.07和0.03。整个晶圆上所有栅极长度器件，最大跨导平均值为398.7μS/μm，标准差为53.3μS/μm，对应离散系数为0.13。对于射频性能，整个晶圆上所有器件的本征fT*Lg高达20GHz·μm，fmax/fT离散系数低至0.11。这表明晶圆级石墨烯射频器件不仅具有优异的性能，同时还具有非常高的均一性。
四、贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件和电路：首先采用不同背栅介质和不同厚度顶栅金属改善贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件的性能。器件输出电流大且输出特性曲线中电流饱和特性强，射频性能参数包括截止频率、最大振荡频率、开路电压增益和正向功率增益相比单层石墨烯器件均有大幅提升。在温度为4.3K时器件的截止频率和最大振荡频率相比常温条件均提升了20%以上，同时温度高达500K时器件的fT*Lg高达7.8GHz·μm。其次，我们详细研究了基于贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件的混频器性能。对于有源混频器，变频增益随着器件开关比增加而增加，最佳变频增益高达-7dB，超越了所有文献报道的石墨烯混频器，且达到了商用III-V族混频器水平。对于无源电阻式混频器，变频损耗和输入三阶交调点均随着器件开关比增加而下降，最佳变频损耗低至12.7dB，最大输入三阶交调点高达23dBm。
在本文中，对晶圆级单层石墨烯射频器件的均一性以及贝纳尔堆叠双层石墨烯的低频噪声和射频特性进行了详细研究。研究内容主要包括以下几个方面：
一、晶圆级单层石墨烯和大尺寸贝纳尔堆叠双层石墨烯的制备：利用化学气相沉积生长方法，在铜箔盒子内表面生长出了大面积单层石墨烯薄膜。随后采用湿法化学刻蚀方法将铜箔盒子内侧的石墨烯转移到4英寸HfSiO/Si晶圆衬底上。在整个晶圆上，石墨烯拉曼光谱中2D峰半高宽平均值为35.57cm-1，标准差为2.33cm-1，对应离散系数为0.07。此外，多层石墨烯在整个晶圆上占比低于6%，表明生长转移得到的是高均一性晶圆级单层石墨烯薄膜。在贝纳尔堆叠双层石墨烯生长方面，主要利用了铜箔盒子内部碳原子的外扩散机制。生长时间为120分钟时，在铜箔盒子外侧生长出了尺寸接近100μm高质量贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶，进一步增加生长时间之后贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶尺寸超过600μm。
二、双栅石墨烯器件制备工艺和贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的低频噪声特性：首先开发了两种制备石墨烯器件顶栅介质的方法，同时通过低温测量方法得出贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙超过40meV。接着研究了以原子层沉积生长双栅介质的贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的低频噪声特性。测试结果表明不同背栅偏压下器件的归一化噪声谱密度和顶栅电压之间均为M型关系，且这种依赖关系可以很好地用charge-noise模型来解释。在常温且频率为10Hz时，器件的面积归一化噪声谱密度低至3×10-10μm2/Hz，是文献报道中石墨烯噪声水平的最优结果之一。
三、石墨烯射频器件物理和晶圆级单层石墨烯射频器件：首先介绍了基本射频测量方面的知识，包括S参量定义和求解、射频测试系统校准和射频器件去嵌方法。接着对石墨烯射频器件物理和小信号电路模型进行了详细介绍。在理论分析之后，我们首次对4英寸HfSiO/Si晶圆上数百个石墨烯晶体管的直流和射频性能均一性进行了系统研究。对于直流性能，栅极长度为0.8μm的器件，其狄拉克点电压和最大跨导对应的离散系数分别低至0.07和0.03。整个晶圆上所有栅极长度器件，最大跨导平均值为398.7μS/μm，标准差为53.3μS/μm，对应离散系数为0.13。对于射频性能，整个晶圆上所有器件的本征fT*Lg高达20GHz·μm，fmax/fT离散系数低至0.11。这表明晶圆级石墨烯射频器件不仅具有优异的性能，同时还具有非常高的均一性。
四、贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件和电路：首先采用不同背栅介质和不同厚度顶栅金属改善贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件的性能。器件输出电流大且输出特性曲线中电流饱和特性强，射频性能参数包括截止频率、最大振荡频率、开路电压增益和正向功率增益相比单层石墨烯器件均有大幅提升。在温度为4.3K时器件的截止频率和最大振荡频率相比常温条件均提升了20%以上，同时温度高达500K时器件的fT*Lg高达7.8GHz·μm。其次，我们详细研究了基于贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件的混频器性能。对于有源混频器，变频增益随着器件开关比增加而增加，最佳变频增益高达-7dB，超越了所有文献报道的石墨烯混频器，且达到了商用III-V族混频器水平。对于无源电阻式混频器，变频损耗和输入三阶交调点均随着器件开关比增加而下降，最佳变频损耗低至12.7dB，最大输入三阶交调点高达23dBm。