[科普]首個(gè)基于石墨烯的功能芯片
亞特蘭大佐治亞理工大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了他們所稱(chēng)的世界上第一種功能齊全的石墨烯基半導(dǎo)體。這一突破有望徹底改變電子領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)更快的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，并為未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)給予新材料。
CHRIS MCKENNEY/GEORGIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY
這項(xiàng)研究于1月3日發(fā)表在《自然》
http://www.nature.com/articles/s41586-023-06811-0.epdf?sharing_token=63dOXeqzwcz5dCsrIo3TmNRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0Mk9sT-x6tC4Rl7pLb2XsMtCLW-zV3dUDHJA5r4iJpAz3hD2JqvFPiFGk-_s_spjoJwuE2-TNBA4IVFG2WOV814NY9PqJ9yrLbZo4F28px7DIK70H08ETunekEsC_iuXuafEjnh7_V_xVINx4nUFMII-qHJq4KltgH8d8-PLFPVDs6evelDIh4GK-nrzbOnaPloYlmcX4wqeE6vBmRNqxrWxgGfevjXYMKNy_kqTn9KmqD3GplkC-KMt-zig6F1A-3r5-gJJlLKInKg3shnR-5WkOpCsJu3TLXa6uRmnXQyzeoYb-pWw7zLCpsobNpa_j4%3D&tracking_referrer=www.livescience.com雜志上，由佐治亞理工大學(xué)物理學(xué)教授Walt de Heer領(lǐng)導(dǎo)，重點(diǎn)是利用外延石墨烯
http://spectrum.ieee.org/graphene-makes-infinite-copies-of-exotic-semiconductor-wafers，這是一種碳與碳化硅（SiC）化學(xué)鍵合的晶體結(jié)構(gòu)。這種新型半導(dǎo)體材料被稱(chēng)為半導(dǎo)體外延石墨烯（SEC）——或者說(shuō)，表觀石墨烯——與傳統(tǒng)硅相比，具有更強(qiáng)的電子遷移率，使電子能夠以明顯更小的電阻穿過(guò)。其結(jié)果是晶體管能夠在太赫茲
http://spectrum.ieee.org/tag/terahertz頻率下工作，其速度是當(dāng)前芯片中使用的硅基晶體管的10倍。
De Heer將該方法描述為一種已知了50多年的極其簡(jiǎn)單的技術(shù)的修改版本。de Heer說(shuō)：“當(dāng)碳化硅被加熱到1000°C以上時(shí)，硅從表面蒸發(fā)，留下富含碳的表面，然后形成石墨烯?！?br/>
Georgia Tech Researchers Create First Functional Graphene Semiconductor
根據(jù)de Heer的說(shuō)法，這個(gè)加熱步驟是用氬石英管完成的，其中將兩個(gè)SiC芯片的堆疊放置在石墨crucible中。然后，高頻電流順利獲得石英管周?chē)你~線圈，順利獲得感應(yīng)加熱石墨crucible。這個(gè)過(guò)程大約需要一個(gè)小時(shí)。De Heer補(bǔ)充道，這種方式產(chǎn)生的SEC基本上是電荷中性的，當(dāng)暴露在空氣中時(shí)，它會(huì)自發(fā)地被氧氣摻雜。順利獲得在約200°C的真空中加熱，可以很容易地去除這種氧摻雜。
de Heer說(shuō)：“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 使用的芯片大約10美元，crucible大約1美元，石英管大約10美元?！?/p>
盡管自2008年以來(lái)人們就知道，順利獲得在真空中用SiC加熱石墨烯，可以使石墨烯表現(xiàn)得像半導(dǎo)體，但正是de Heer開(kāi)發(fā)的方法使帶隙發(fā)生了變化。de Heer說(shuō)：“如果使用上述改進(jìn)的方法進(jìn)行正確的結(jié)合，那么結(jié)合是非常規(guī)則的，遷移率非常大，正如 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在論文中所展示的那樣。”
半導(dǎo)體是任何電子設(shè)備中的關(guān)鍵部件，同時(shí)具有導(dǎo)體和絕緣體的特性。然而，硅作為半導(dǎo)體的主要材料
http://spectrum.ieee.org/topic/semiconductors/，在速度、發(fā)熱和小型化方面正達(dá)到極限。De Heer強(qiáng)調(diào)，由于硅的這些限制，整個(gè)計(jì)算歷史上的快速進(jìn)步正在減速
http://spectrum.ieee.org/the-moores-law-machine。
“We have produced large areas of semiconducting SEC on defect-free, atomically flat SiC terraces.”
—Walt de Heer, Georgia Tech
石墨烯是一種排列在六邊形晶格中的單層碳原子，正成為硅的優(yōu)良導(dǎo)體，有助于電子更有效地在材料中移動(dòng)。盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但之前將石墨烯集成到電子產(chǎn)品中的努力面臨著挑戰(zhàn)，因?yàn)闆](méi)有帶隙，這是晶體管開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵因素。
在開(kāi)發(fā)石墨烯的功能機(jī)會(huì)方面，已經(jīng)進(jìn)行了十年的工作，這涉及到將原子化學(xué)鍵合到石墨烯上，使其呈現(xiàn)出帶隙。De Heer指出，由于化學(xué)或機(jī)械組成方面的各種問(wèn)題，以前的方法導(dǎo)致了低遷移率的半導(dǎo)體石墨烯。
例如，石墨烯帶被認(rèn)為是有前途的，但它們只是具有非常特定寬度的半導(dǎo)體。這些帶狀物最好順利獲得化學(xué)方法制成，最終必須準(zhǔn)確地沉積在基底上，然后用金屬絲互連。
de Heer說(shuō)：“石墨烯納米帶已經(jīng)取得了一些成功，但原則上，這項(xiàng)技術(shù)與半導(dǎo)體碳納米管技術(shù)非常相似，經(jīng)過(guò)30年的納米管研究，半導(dǎo)體碳納米管不斷沒(méi)有成功?！?/p>
另一種給石墨烯帶隙的方法是在材料中添加褶皺。機(jī)械變形將打開(kāi)帶隙，并且已經(jīng)證明了高達(dá)0.2電子伏特的帶隙。（相比之下，硅的帶隙為1.12 eV，明顯更大。）小的帶隙使人們不清楚這些材料如何在應(yīng)用中使用，而相對(duì)缺乏關(guān)于其遷移率的信息又增加了另一個(gè)復(fù)雜性。
de Heer說(shuō)：“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的研究與其他方法不同，因?yàn)?#32;■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在無(wú)缺陷、原子平坦的SiC平臺(tái)上生產(chǎn)了大面積的半導(dǎo)體SEC。SiC是一種高度開(kāi)發(fā)、易于取得的電子材料，與傳統(tǒng)微電子加工方法完全兼容?！?/p>
在詳細(xì)闡述其突破的潛在應(yīng)用時(shí)，研究人員指出，石墨烯基半導(dǎo)體可以在量子計(jì)算中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這是因?yàn)楫?dāng)石墨烯在非常低的溫度下用于器件時(shí)，其電子表現(xiàn)出與光中所見(jiàn)類(lèi)似的量子力學(xué)波狀特性。
de Heer說(shuō)：“石墨烯電子的一個(gè)主要方面是， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以利用硅電子中無(wú)法取得的電子和[電子]空穴的量子機(jī)械波特性。如果這是可能的，那么這就構(gòu)成了電子技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變?！?/p>
“The chips we use cost about $10, the crucible about $1, and the quartz tube about $10.”
—Walt de Heer, Georgia Tech
然而，De Heer和他的研究團(tuán)隊(duì)承認(rèn)，需要進(jìn)一步探索，以確定石墨烯基半導(dǎo)體是否能超越現(xiàn)在先進(jìn)量子計(jì)算機(jī)中使用的超導(dǎo)技術(shù)。
佐治亞理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)沒(méi)有設(shè)想將石墨烯基半導(dǎo)體與標(biāo)準(zhǔn)硅或化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)線相結(jié)合。相反，他們的目標(biāo)是超越硅，利用碳化硅。他們正在開(kāi)發(fā)方法，例如用氮化硼涂覆SEC，以保護(hù)和增強(qiáng)其與傳統(tǒng)半導(dǎo)體線路的兼容性。
將他們的工作與商用石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GFET）進(jìn)行比較，de Heer解釋說(shuō)，有一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別：“傳統(tǒng)的GFET不使用半導(dǎo)體石墨烯，這使得它們不適合需要完全關(guān)閉晶體管的數(shù)字電子產(chǎn)品?！彼f(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的SEC允許完全關(guān)閉，滿(mǎn)足數(shù)字電子產(chǎn)品的嚴(yán)格要求。
De Heer說(shuō)，開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)需要時(shí)間。“我將這項(xiàng)工作與萊特兄弟的第一次100米飛行進(jìn)行比較。這將主要取決于開(kāi)發(fā)它所做的工作。”
文章來(lái)源：IEEE電氣電子工程師學(xué)會(huì)
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