[導讀]超越銻化銦,采用碳可獲得電子速度最快的芯片
馬里蘭大學的研究人員稱，碳晶體管會成為最快的晶體管，可以超越包括銻化銦在內的所有芯片材料。
在College Park分校的這個研究團隊最近對單層石墨烯作了表征，該材料由單原子層的純碳片層構成。他們發(fā)現(xiàn)，與大部分半導體材料不同，石墨烯的相不隨溫度而改變。通常來說，電子的速度——也叫電子遷移率——是與溫度成比例變化的（由于低溫下晶格振動，也稱為聲子，對電子的散射更少，因此溫度越低電子流動越好）。
基于這樣的特性，研究人員認為，如果為芯片選擇了合適的襯底材料，純石墨烯晶體管就可以在室溫條件下獲得最高的速度。
“我們在50開氏度（零下370華氏度）和500開氏度（450華氏度）之間測量了單層石墨烯的電子遷移率，發(fā)現(xiàn)無論溫度怎么變化，（電子遷移率）大概都是15,000 cm2/Vs，這太不尋常了，”馬里蘭大學“納米物理和先進材料中心”及“馬里蘭納米中心”的團隊負責人Michael Fuhrer這樣介紹。
在硅材料中，電子的遷移率大概是1,400 cm2/Vs，此外，目前已知的最高電子遷移率是在銻化銦材料中實現(xiàn)的，可達77,000 cm2/Vs。于此不同，馬里蘭大學的研究人員測量出石墨烯的晶格振動最為微弱，而像雜質和襯底選擇這樣的二級效應對遷移率的影響會比聲子更大。
“考慮到石墨烯中聲子對電子的散射非常微弱，我們傾向于相信速度極限是由雜質造成的。如果可以去除這些雜質，我們相信在室溫下可以實現(xiàn)高達200,000 cm2/Vs的電子遷移率——這比現(xiàn)在的硅材料要快100倍，”Fuhrer這樣說。
作為對比，在碳納米管中測得的電子遷移率為100,000 cm2/Vs，該值是單層石墨烯的一半。為了實現(xiàn)最高的遷移率，需要采用單層石墨烯來制造純碳晶體管，研究人員認為他們需要不同于普通氧化硅的襯底材料，但目前他們仍在使用氧化硅來進行測試。候選的材料包括碳化硅和金剛石。
當然其他方案還包括完全去除襯底，在石墨烯晶體管溝道下面形成空氣間隙。
由于“石墨烯本身的晶格振動非常微弱，那些研究較少的二級效應將會變得顯著，”Fuhrer說：“襯底上的聲子，也就是氧化硅的晶格振動，顯然散射了石墨烯中的電子，我們認為這種效應使得電子遷移率無法高于40,000 cm2/Vs?！?
下一步，研究人員將嘗試廣泛應用的碳化硅襯底，這種襯底可以預先制作到晶圓上。該團隊還計劃將石墨烯沉積到金剛石襯底的頂層。他們還將嘗試空氣間隙，當然，F(xiàn)uhrer也指出這種結構的制作比目前商用器件要困難很多。
在College Park分校的這個研究團隊最近對單層石墨烯作了表征，該材料由單原子層的純碳片層構成。他們發(fā)現(xiàn)，與大部分半導體材料不同，石墨烯的相不隨溫度而改變。通常來說，電子的速度——也叫電子遷移率——是與溫度成比例變化的（由于低溫下晶格振動，也稱為聲子，對電子的散射更少，因此溫度越低電子流動越好）。
基于這樣的特性，研究人員認為，如果為芯片選擇了合適的襯底材料，純石墨烯晶體管就可以在室溫條件下獲得最高的速度。
“我們在50開氏度（零下370華氏度）和500開氏度（450華氏度）之間測量了單層石墨烯的電子遷移率，發(fā)現(xiàn)無論溫度怎么變化，（電子遷移率）大概都是15,000 cm2/Vs，這太不尋常了，”馬里蘭大學“納米物理和先進材料中心”及“馬里蘭納米中心”的團隊負責人Michael Fuhrer這樣介紹。
在硅材料中，電子的遷移率大概是1,400 cm2/Vs，此外，目前已知的最高電子遷移率是在銻化銦材料中實現(xiàn)的，可達77,000 cm2/Vs。于此不同，馬里蘭大學的研究人員測量出石墨烯的晶格振動最為微弱，而像雜質和襯底選擇這樣的二級效應對遷移率的影響會比聲子更大。
“考慮到石墨烯中聲子對電子的散射非常微弱，我們傾向于相信速度極限是由雜質造成的。如果可以去除這些雜質，我們相信在室溫下可以實現(xiàn)高達200,000 cm2/Vs的電子遷移率——這比現(xiàn)在的硅材料要快100倍，”Fuhrer這樣說。
作為對比，在碳納米管中測得的電子遷移率為100,000 cm2/Vs，該值是單層石墨烯的一半。為了實現(xiàn)最高的遷移率，需要采用單層石墨烯來制造純碳晶體管，研究人員認為他們需要不同于普通氧化硅的襯底材料，但目前他們仍在使用氧化硅來進行測試。候選的材料包括碳化硅和金剛石。
當然其他方案還包括完全去除襯底，在石墨烯晶體管溝道下面形成空氣間隙。
由于“石墨烯本身的晶格振動非常微弱，那些研究較少的二級效應將會變得顯著，”Fuhrer說：“襯底上的聲子，也就是氧化硅的晶格振動，顯然散射了石墨烯中的電子，我們認為這種效應使得電子遷移率無法高于40,000 cm2/Vs?！?
下一步，研究人員將嘗試廣泛應用的碳化硅襯底，這種襯底可以預先制作到晶圓上。該團隊還計劃將石墨烯沉積到金剛石襯底的頂層。他們還將嘗試空氣間隙，當然，F(xiàn)uhrer也指出這種結構的制作比目前商用器件要困難很多。
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