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研究人员开发出世界上首个功能石墨烯半导体

文章来源：·cnBeta 更新时间：2024-01-25 16:01:01

本月早些时候，亚特兰大佐治亚理工学院的研究人员在《自然》杂志上发表了一篇论文。该研究讨论了用碳化硅（SiC）生产外延石墨烯的问题。半导体外延石墨烯（SEC）又称外延石墨烯，其电子迁移率远远高于硅。

这意味着经过 10 年的研究，研究人员说他们终于创造出了世界上第一个基于石墨烯的功能半导体。事实证明，这将有助于量子计算和传统计算，并让摩尔定律得以延续。

据佐治亚理工学院物理系教授沃尔特-德-希尔（Walt de Heer）介绍，电子移动速度是传统硅晶体管的 10 倍。这种指数级的提升意味着使用表石墨烯的芯片有可能达到太赫兹范围的周期。

生产石墨烯的工艺已有半个世纪的历史。首先，在石墨坩埚内堆叠两块碳化硅芯片，然后将其放入包裹着铜管的氩气石英管内。铜线圈中通入高频电流，通过感应将石墨坩埚加热到1000°C，持续约一小时。

碳化硅芯片表面的硅蒸发后，被碳取代，形成二维（单原子）石墨烯层。生产出的晶片是电荷中性的，因此从管子中取出时，会立即被氧气掺杂。然后，他们通过在真空中将石墨烯加热到 200°C 来释放氧掺杂，从而在碳化硅基底上生成表石墨烯。据 de Heer 称，这种工艺的成本相对较低。

这位教授向 IEEE Spectrum 解释说："我们使用的（碳化硅）芯片成本约为 10 美元，坩埚成本约为 1 美元，石英管成本约为 10 美元。"

自 2008 年以来，科学家们通过在真空中加热碳化硅生产出了半导体石墨烯。然而，它缺乏可测量的带隙，因此晶体管无法开启和关闭。De Heer 和他的团队修改后的方法消除了这一问题。

以前产生带隙的方法是用石墨烯纳米带或纳米管对基底进行改性。这些方法都没有取得成功，因为它们在基底上沉积石墨烯纳米带时需要很高的精度。

de Heer 说："石墨烯纳米带取得了一些成功，但原则上，这种技术与半导体碳纳米管技术非常相似，而半导体碳纳米管技术在纳米管研究 30 年后仍未取得成功。"

研究人员通过使石墨烯变形（起皱）来产生带隙的方法比较成功。然而，这种方法产生的带隙只有 0.2 电子伏特，de Heer 认为这个带隙太小，无法实用。相比之下，硅的带隙为 1.12 电子伏特。佐治亚理工学院的方法能产生 0.6 电子伏特的带隙，足以在较低温度下进行逻辑切换。

de Heer 说："我们的研究有别于其他方法，因为我们在无缺陷、原子平坦的碳化硅台面上制备了大面积的半导体 SEC。SiC是一种高度发达、随时可用的电子材料，与传统的微电子加工方法完全兼容。"

虽然科学界已经成功制备出功能强大、移动性高的半导体外延石墨烯，但量子计算机或普通计算机中的 SEC 处理器仍是一个遥不可及的设想。德希尔说，首先，它需要进一步研究，以确定它是否比当代量子计算机中使用的超导体更合适。

至于硅计算，研究小组已经知道 SEC 是一种性能优越的半导体，电阻低得多。因此，可以实现更快的速度和更低的工作温度。然而，目前还没有简单的方法将 SEC 集成到传统的硅电子设备中。要想获得这种材料所能提供的优势，就必须彻底改变当前的制造模式。

"我把这项工作比作莱特兄弟的首次百米飞行，"de Heer 说。"这将主要取决于开发工作的完成程度"。

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