[導(dǎo)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(xué)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(nèi)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(gòu)成。他們發(fā)現(xiàn),與大部分半導(dǎo)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(xué)“納米物理和先進材料中心”及“馬里蘭納米中心”的團隊負責(zé)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(xué)的研究人員測量出石墨烯的晶格振動最為微弱,而像雜質(zhì)和襯底選擇這樣的二級效應(yīng)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(zhì)造成的。如果可以去除這些雜質(zhì),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?nèi)栽谑褂醚趸鑱磉M行測試。候選的材料包括碳化硅和金剛石。
當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用的碳化硅襯底,這種襯底可以預(yù)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(dāng)然,F(xiàn)uhrer也指出這種結(jié)構(gòu)的制作比目前商用器件要困難很多。
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