石墨烯晶體管再次打破速度記錄

吳江濱 編譯

硅晶體管在目前計算機的發(fā)展歷程中扮演了最重要的角色,然而受其物理性質(zhì)的限制硅基集成電路已經(jīng)走到了一個瓶頸,它的集成度和運算速度提升的空間已經(jīng)不是很大,那么誰將是未來計算機的“芯”臟呢?獲 2008年諾貝爾物理獎提名的英國曼切斯特大學安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫所發(fā)明的石墨烯也許在未來的數(shù)十年中接下硅遞出的接力棒,成為未來計算的芯片材料,如果完成這一交接,計算機將由硅時代進入碳時代.

石墨烯自 2004年問世以來,就成為研究領域的“金礦”,在《納米科技》雜志上差不多每四五篇論文就有一篇是關于石墨烯的.在 2010年 9月 16日出版的《Nature》雜志上美國加州大學的段鑲鋒領導的一個科研小組發(fā)表題為“High-speed graphene transistorswith a self-aligned nanowire gate”(自校準納米線門高速石墨烯晶體管)的論文.在論文中段氏小組宣布他們發(fā)明了一種構造石墨烯晶體管的新方法,這種方法克服了用石墨烯芯片取代硅芯片進程中的一個重要障礙.

半導體石墨烯因其良好的導電性、導熱性和物理強度使它可以制做高速、低發(fā)熱、集成度極高的集成芯片,被人們認為是一種取代硅非常理想的升級換代材料.然而,現(xiàn)有的半導體工業(yè)技術無法應用于石墨烯芯片的制造,現(xiàn)有技術方法會在石墨烯集成電路中引入太多的缺陷,從而使芯片無法正常工作.段氏小組開發(fā)出了一種新的方法,這種方法用一根有氧化鋁包層的納米線作柵極,源極和漏極用石墨烯通過一種“自校準過程”構建,在論文中段氏小組給出的數(shù)據(jù)要遠勝于目前的其他方法.(其結構如封面主圖所示)

自校準是現(xiàn)代制造金屬氧化物場效應管(MOSFET)中廣泛應用的一種技術,這種技術可以使源極、漏極和柵極精確對位并使器件的阻抗最小化,高阻抗對納米級晶體管是一種災難會顯著降低晶體管的運行速度.但是這種技術并不能直接應用于構造石墨烯晶體管,因為目前的方法會在石墨烯薄膜上引入缺陷(石墨烯只有一層原子,實在是很嬌氣).為此段氏小組用一根帶氧化鋁包層的硅化鈷納米線來作為器件的柵級,這根納米線由獨立的步驟制作,只是簡單地擺放于兩片石墨烯膜之間.據(jù)論文所說,這種方法不會在石墨烯膜上引入任何缺陷.

論文給出的數(shù)據(jù)顯示該器件的開關速度達到100～300 GHz,超過了同類器件的最高記錄,比現(xiàn)有最好的 MOSFET快兩倍.其遷移率(mobility電子穿過器件快慢的衡量指標)達到 20 000 cm2/Vs,比相近尺度硅基器件高兩個數(shù)量級.

段鑲鋒說:“成功地將掩膜工藝引入石墨烯晶體管的制造,是石墨烯研究中的一項重要進展,實驗結果清晰地展示了石墨烯基電子器件在高頻電子電路領域的廣闊應用前景.”

該研究小組下一步的計劃是用這種方法制造體積更小,開關速度能達到 1 THz的石墨烯晶體管.他們還希望能夠在大型基底和柔性基底上構建大型石墨烯晶體管陣列,一旦這些目標能夠達到,石墨烯器件時代也就為期不遠了.

段鑲鋒簡介:1992～1997年中國科學技術大學學士,1998～2002年美國哈佛大學博士,入選美國Technology Review雜志評 2003年世界百位杰出青年發(fā)明家.

1 Xiangfeng Duan,et al.High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate.Nature:467,305-308(16 September 2010)