本書總結(jié)了近年石墨烯微電子與光電子器件領域的相關研究成果和國內(nèi)外研究進展，包括石墨烯的基本光電特性，石墨烯晶體管以及基于石墨烯晶體管的新型石墨烯微電子器件，石墨烯光調(diào)制器和石墨烯光探測器等石墨烯光電子器件，石墨烯光電子器件與傳統(tǒng)硅CMOS電路單片集成芯片等內(nèi)容。本書力求將較為完整的石墨烯微電子與光電子器件的基礎知識和研究全貌展示給讀者，期望對讀者掌握石墨烯微電子與光電子器件的基礎知識和相關研究中的關鍵科學問題有所幫助。
本書可供從事石墨烯微電子與光電子器件研究的科技工作者使用，也可作為高等院校相關專業(yè)的參考用書。
“戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程”：“十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目/國家出版基金
石墨烯是碳的同素異形體大家族的又一個傳奇，也是當今橫跨學術界和產(chǎn)業(yè)界的超級明星，幾乎到了家喻戶曉、婦孺皆知的程度。當然，石墨烯是當之無愧的。作為由單層碳原子構成的蜂窩狀二維原子晶體材料，石墨烯擁有無與倫比的特性。理論上講，它是導電性和導熱性較好的材料，也是理想的輕質(zhì)高強材料。正因如此，一經(jīng)問世便吸引了全球范圍的關注。石墨烯有可能創(chuàng)造一個全新的產(chǎn)業(yè)，石墨烯產(chǎn)業(yè)將成為未來全球高科技產(chǎn)業(yè)競爭的高地，這一點已經(jīng)成為國內(nèi)外學術界和產(chǎn)業(yè)界的共識。
從2004年至今，已經(jīng)有了近十六年的歷史沉淀。無論是石墨烯的基礎研究，還是石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化實踐，人們都有了更多的一手材料，更有可能對石墨烯材料有一個全方位套叢書出的、科學的、理性的認識�？偨Y(jié)歷史，是為了更好地走向未來。對于新興的石墨烯產(chǎn)業(yè)來說，戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意義也是不言而喻的。事實上，國內(nèi)外已經(jīng)出版了數(shù)十部石墨烯相關書籍，其中不乏經(jīng)典性著作。本叢書的定位有所不同，希望能夠全面總結(jié)石墨烯相關的知識積累，反映石墨烯領域的國內(nèi)外前沿研究進展，展示石墨烯新材料的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展前景，尤其希望能夠充分體現(xiàn)國人對石墨烯領域的貢獻。
本叢書共包括22分冊，執(zhí)筆作者20余位，都是石墨烯領域的重量級學者、專家，因此可以從源頭上保障叢書的專業(yè)性和科學性。叢書分五大部分，囊括了從石墨烯的基本性質(zhì)和表征技術，到石墨烯材料的制備方法及其在不同領域的應用，以及石墨烯產(chǎn)品的計量檢測標準等全方位的知識總結(jié)。同時，兩份產(chǎn)業(yè)研究報告詳細闡述了世界各國的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。除此之外，叢書還為廣大石墨烯迷們提供了一份科普讀物《有問必答：石墨烯的魅力》，針對廣泛征集到的石墨烯相關問題答疑解惑，去偽求真。
本叢書的內(nèi)容涵蓋石墨烯新材料的方方面面，每個分冊也相對獨立，具有很強的系統(tǒng)性、知識性、專業(yè)性和即時性，凝聚著各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的廣大讀者參考使用。希望叢書的出版對中國的石墨烯研究和中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有所助益。
石墨烯的出現(xiàn)打開了二維材料世界的大門，新物理、新器件和新應用層出不窮！石墨烯具有優(yōu)異的力、熱、光、電特性，被廣泛應用于復合材料、環(huán)境、生物醫(yī)藥、能源和信息領域。在信息領域，石墨烯能夠充分發(fā)揮其優(yōu)良光、電性能，可分別實現(xiàn)信息獲取、信息處理和信息傳輸?shù)刃畔⒓夹g核心功能。我國對石墨烯信息技術發(fā)展十分重視，華為技術有限公司創(chuàng)始人任正非認為石墨烯時代會代替硅時代，石墨烯有潛力像硅一樣在信息技術領域發(fā)揮重大作用。石墨烯微電子與光電子器件作為石墨烯在信息領域發(fā)揮重要作用的載體，引起廣泛關注。劍橋大學石墨烯中心圍繞石墨烯電子和石墨烯光電子開展科學研究；曼徹斯特大學國家石墨烯研究院圍繞石墨烯在５G領域的應用展開研究，開展了石墨烯射頻、石墨烯光子和石墨烯集成技術相關工作；歐盟和美國也在石墨烯信息領域，特別是石墨烯微電子與光電子器件領域布局大量科研項目。
大力發(fā)展新材料技術是我國在信息領域彎道超車的重要途徑，中央和地方均極為重視新材料技術的發(fā)展。在國家政策確立石墨烯新材料之王地位、集中力量促進石墨烯發(fā)展的背景下，各級政府將石墨烯產(chǎn)業(yè)作為地方產(chǎn)業(yè)升級換代的突破口，紛紛成立石墨烯相關產(chǎn)業(yè)園區(qū)或企業(yè)聯(lián)盟。石墨烯相關書籍作為石墨烯相關科學技術的重要傳播媒介，能夠促進石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，石墨烯電子信息技術相關書籍較少，尤其是針對石墨烯微電子與光電子器件的書籍還有待完善，因此，編著石墨烯微電子與光電子器件相關書籍具有重要意義，能夠為石墨烯信息技術的發(fā)展提供助力。
本書收錄了我們課題組近些年來在石墨烯微電子與光電子器件領域的相關成果和國內(nèi)外研究進展。首先介紹石墨烯的基本光電特性，然后介紹石墨烯晶體管以及基于石墨烯晶體管的新型石墨烯微電子器件，石墨烯光調(diào)制器和石墨烯光探測器等石墨烯光電子器件，還介紹了石墨烯光電子器件與傳統(tǒng)硅CMOS電路單片集成芯片。本書力求將較為完整的石墨烯微電子與光電子器件的基礎知識和研究全貌展示給讀者，期望對讀者掌握石墨烯微電子與光電子器件的基礎知識和相關研究中的關鍵科學問題有所幫助。
本書框架由陳弘達研究員提出，全書內(nèi)容由陳弘達研究員統(tǒng)籌安排完成。本書中石墨烯微電子器件部分主要由毛旭瑞負責完成，石墨烯光電子器件部分主要由程傳同負責完成，石墨烯光電子器件與硅CMOS電路單片集成芯片部分主要由黃北舉負責完成。陳潤、張恒杰等研究生對本書的完成做出了貢獻。
本書所涉及的研究成果是作者在國家自然科學基金項目、科技部重點專項和博士后科學基金的支持下完成的，在此表示感謝！
限于作者水平，書中難免有疏漏之處，敬請專家和讀者批評指正。
陳弘達
2019年5月
陳弘達，中科院半導體所研究員。曾任中科院半導體所副所長，兼中國科學院研究生院教授，國家863計劃新材料領域?qū)＜医M成員，《半導體科學與技術叢書》副主編，中國電子學會半導體與集成技術分會委員，中國光學學會光電技術專業(yè)委員會委員，中國材料研究學會青年委員會常務理事，北京電子學會半導體專業(yè)委員會委員，國際電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）會員，中國電子學會高級會員。
長期從事光電子與微電子學方面的科研和教學工作，目前研究方向為光電子與微電子集成器件、集成電路與系統(tǒng)。八五期間，成功研制出半導體多量子阱光探測器、光調(diào)制器列陣。九五十五期間，負責承擔多項國家863項目和國家自然科學基金項目，成功研制出64×64 SEED與CMOS電路倒裝焊光電子集成面陣器件、基于垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）多信道光發(fā)射接收模塊、硅基光探測器與CMOS電路單片集成的光電子集成電路（OEIC），提出了與CMOS工藝兼容的硅基發(fā)光器件模型。在國內(nèi)外學術刊物和會議上發(fā)表論文50余篇，編著《甚短距離光傳輸技術》《微電子與光電子集成技術》2本專著，申請發(fā)明專利18項。
目前研究領域：包括新型信息光電子器件；光子晶體器件與集成光路；深亞微米高速集成電路和射頻電路；微光電子系統(tǒng)集成芯片（SOC）；微光電子集成電路（OEIC）與系統(tǒng)；高速并行光傳輸模塊及其在光網(wǎng)絡、光互連中的應用；甚短距離（VSR）高速并行光通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。目前正在負責承擔著國家自然科學基金重點項目硅基單片光電子集成回路（OEIC）的關鍵技術及相關理論研究、面上項目植入生物體的專用集成電路及相關模型研究等。
第1章 緒論
１.１ 引言
１.２ 石墨烯基本物理特性
１.２.１ 能帶結(jié)構
１.２.２ 電學特性
１.２.３ 光學特性
１.２.４ 光電特性
１.３ 石墨烯場效應晶體管
１.３.１ GFET結(jié)構與基本特性
１.３.２ GFET發(fā)展現(xiàn)狀
１.３.３ GFET在射頻領域的應用介紹
１.４ 石墨烯光電探測器
１.４.１ GPD基本結(jié)構與特性
１.４.２ GPD發(fā)展現(xiàn)狀
１.４.３ GPD潛在應用
１.５ 石墨烯器件制作工藝
１.５.１ 石墨烯轉(zhuǎn)移技術
１.５.２ 石墨烯圖形化
１.５.３ 石墨烯電連接
１.６ 從石墨烯分立器件到石墨烯集成芯片
第2章 石墨烯電子器件
２.１ 石墨烯場效應管概述
２.１.１ 石墨烯的晶格結(jié)構
２.１.２ 石墨烯場效應管的特性
２.２ 石墨烯場效應管制備方法
２.２.１ 適用于石墨烯電子器件的石墨烯材料制備方法
２.２.２ 石墨烯場效應晶體管電子器件制備方法
２.３ 石墨烯射頻微電子器件
２.３.１ GFET倍頻器
２.３.２ GFET混頻器
２.３.３ GFET鑒相器
２.３.４ 石墨烯二極管
２.４ 石墨烯與六方氮化硼
２.４.１ 六方氮化硼（hBN）
２.４.２ 六方氮化硼包裹的石墨烯電子器件
２.５ GFET和柔性電子
２.６ 石墨烯傳感器
２.６.１ 石墨烯氣體傳感器
２.６.２ 石墨烯壓力傳感器
２.７ 石墨烯場效應管的電流 電壓特性和模型
２.７.１ U型轉(zhuǎn)移特性
２.７.２ 弱飽和特性
２.７.３ Kink區(qū)特性
２.７.４ GFET的物理模型（Thiele模型）
２.７.５ GFET物理模型的化簡和工程近似———解析模型
２.８ GFET功能電路
２.８.１ GFET反相器
２.８.２ GFET微分負阻電路
２.８.３ GFET共模差模變換電路
２.８.４ 晶圓級GFET集成電路
２.９ 石墨烯場效隧穿器件和電路
２.９.１ 石墨烯場效應隧穿晶體管的微分負阻特性
２.９.２ 驗證GTFET電特性的實驗
２.１０ 石墨烯倍頻器
２.１０.１ 基于GFET的高純度三倍頻器
２.１０.２ 基于雙柵GFET的可調(diào)倍頻器
２.１１ 小結(jié)
第3章 石墨烯光調(diào)制器
３.１ 引言
３.２ 石墨烯光調(diào)制的機理
３.３ 石墨烯電光調(diào)制器
３.３.１ 波導型電光調(diào)制器
３.３.２ 空間電光調(diào)制器
３.３.３ 直接調(diào)制石墨烯光源
３.４ 石墨烯輔助微環(huán)光調(diào)制器
３.４.１ 微環(huán)光調(diào)制機理
３.４.２ 石墨烯輔助熱光微環(huán)調(diào)制器
３.４.３ 石墨烯輔助電光微環(huán)調(diào)制器
３.５ 石墨烯全光調(diào)制器
３.５.１ 全光調(diào)制器機理
３.５.２ 石墨烯全光調(diào)制器
３.５.３ 石墨烯全光調(diào)制的應用
第4章 石墨烯光電探測器
４.１ 引言
４.２ 石墨烯光電轉(zhuǎn)換特性
４.２.１ 光電轉(zhuǎn)換過程介紹
４.２.２ 石墨烯光電探測機理
４.３ 高速石墨烯光電探測器
４.３.１ 表面入射石墨烯光電探測器
４.３.２ 波導集成石墨烯光電探測器
４.４ 高靈敏度石墨烯光電探測器
４.４.１ 石墨烯／半導體材料異質(zhì)增強
４.４.２ 石墨烯／半導體量子點薄膜異質(zhì)增強
４.４.３ 石墨烯／二維材料異質(zhì)增強
４.４.４ 石墨烯／金屬氧化物異質(zhì)增強
４.４.５ 石墨烯／離子化合物異質(zhì)增強
４.５ 零偏壓石墨烯光探測器
４.５.１ 石墨烯／金屬異質(zhì)結(jié)構
４.５.２ 石墨烯半導體異質(zhì)結(jié)構
４.５.３ 石墨烯pn結(jié)
４.６ 高穩(wěn)定性低功耗石墨烯光電探測器
４.６.１ 器件設計
４.６.２ 器件加工和測試
４.６.３ 工作意義
４.７ 石墨烯探測器的應用介紹
４.７.１ 紅外探測
４.７.２ THz探測
４.７.３ 頻率變換
第5章 石墨烯光電器件與硅CMOS芯片集成
５.１ 單片集成石墨烯光接收機芯片
５.１.１ 光接收機前端CMOS電路
５.１.２ 石墨烯光電探測器和CMOS前端接收電路單片集成
５.２ 單片集成石墨烯紅外成像芯片
５.２.１ 紅外成像概述
５.２.２ 石墨烯探測器陣列讀出電路
５.２.３ 石墨烯探測器陣列與CMOS讀出電路單片集成
第6章 展望
６.１ 石墨烯信息器件應用前景
６.２ 高靈敏度石墨烯傳感器
６.３ 高速光互連芯片
參考文獻
索引
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