【摘 要】
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柔性微波集成电路（fMICs）具备轻量化、可弯曲以及可共形等优势,是无线电子技术研究热点之一,在可穿戴设备、远程医疗以及生物技术等领域有着广泛应用。虽然基于硅（Si）、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等传统化合物半导体器件和硬质介质基板的微波混合集成电路已经很成熟,然而传统半导体衬底和基板难以实现大弯曲和拉伸,限制了微波柔性电子技术的进一步发展。近年来,柔性介质基板以及原子层厚度的低维碳材料发
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柔性微波集成电路（fMICs）具备轻量化、可弯曲以及可共形等优势,是无线电子技术研究热点之一,在可穿戴设备、远程医疗以及生物技术等领域有着广泛应用。虽然基于硅（Si）、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等传统化合物半导体器件和硬质介质基板的微波混合集成电路已经很成熟,然而传统半导体衬底和基板难以实现大弯曲和拉伸,限制了微波柔性电子技术的进一步发展。近年来,柔性介质基板以及原子层厚度的低维碳材料发展为f MICs带来了新的机遇,本文以提高f MICs机械柔韧性和工作频率为目标,从半导体器件理论和微细加工技术出发,研究了基于低维碳材料石墨烯（Gr）和碳纳米管（CNT）的晶体管器件和可承受大拉伸应变的微波无源器件,主要研究内容包括:（1）高振荡频率石墨烯柔性微波晶体管。目前Gr湿法转移主要依靠有机物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）膜,然而PMMA在转移过程中易污染Gr薄膜,会恶化石墨烯场效应晶体管（Gr-FET）的沟道寄生电阻,从而限制柔性石Gr-FET的工作频率,对此提出了一种Au纳米薄膜转移Gr方法。该方法首先在Gr薄膜表面溅射一层30 nm厚的金（Au）薄膜,然后转移到柔性衬底表面,避免了Gr表面跟PMMA直接接触。测试结果表明基于该方法制备的Gr-FET最高振荡频率(fmax)达30 GHz,比传统PMMA转移制备方法提升了50%以上。并进一步开展了该晶体管弯曲测试,试验表明在2%拉伸应变下晶体管fmax仍优于15 GHz。该成果已被用于X波段柔性Gr微波低噪声放大器设计中,有效提高了其工作频率。（2）高振荡频率碳纳米管柔性微波晶体管。针对柔性衬底通常无法承受高温的缺点,导致器件制备无法直接采用退火技术提升器件性能,对此提出一种适用于柔性碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）的高温退火方法。该方法首先将高纯度（99.9%）半导体型CNT薄膜沉积在硅（Si）衬底表面,然后在Si衬底上完成900℃高温退火,最后将退火后的CNT薄膜转移到柔性衬底表面并完成晶体管制备。测试结果表明该晶体管有效载流子迁移率(μeff)达60 cm2/（V.s）,比传统未退火制备方法提升了约33%;fmax首次突破1 GHz,最高达到2.1 GHz。并进一步进行了弯曲测试,试验表明该晶体管在2%拉伸应变下fmax仍优于1.1 GHz,为后续基于CNT的f MICs提供了研究思路。（3）高柔性微波滤波器。针对传统玻璃纤维等微波复合介质基板厚度较厚,抗拉伸能力较差,开展了基于一种50μm超薄液晶聚合物（LCP）柔性微波滤波器研究。由于超薄LCP基板传输线窄,难以用典型PCB工艺实现高耦合系数的耦合单元,对此提出了基于细长型阶梯阻抗谐振单元和双边耦合结构的电磁-力学耦合设计方法,减弱了形变对电磁特性的影响,提高了器件最高可承受拉伸应变的能力。实验表明采用该方法设计的0-8GHz低通滤波器带内插损优于1.2dB,带内回波损耗优于15dB;9.3-9.6GHz柔性带通滤波器带内插入损耗优于1.8dB,带内回波损耗优于12 dB;2-18GHz超宽带带通滤波器带内插入损耗优于2.8dB,带内回波损耗优于12dB。滤波器性能跟传统复合基板性能相当。弯曲测试结果表明该滤波器在性能不变情况下最高可承受拉伸应变高达4.2%,比传统100μm厚LCP滤波器提升了4倍以上,为高柔性微波电路提供了一种解决方案。（4）可拉伸微波集成电感和滤波器。针对目前fMICs只能弯曲,但不能拉伸的现状,提出了一种可拉伸微波集成电路实现方法。该方法首先将聚酰胺（PI）旋涂在Si衬底表面,然后在PI上制备柔性微波器件,最后将器件从Si衬底转移到可拉伸衬底表面。基于该方法提出一种双螺旋可拉伸微波电感,提高了可拉伸电感的Q值,减弱了形变对电感高频电磁特性的影响。结果表明该电感在Q值～12.6、自谐振频率fSRF～11.6GHz下最高拉伸率高达20%。最后设计了一种1.5-2.6GHz的可拉伸带通滤波器,该滤波器带内回波损耗优于12dB,带内最低插入损耗约为2.3dB。该滤波器在20%拉伸率的情况下仍能正常工作,并且在皮肤表面进行试验,滤波器性能基本不变,该结果为未来可拉伸无线技术提供了重要基础。
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