科研人员研发首个基于石墨烯的功能芯片

CHRIS MCKENNEY/GEORGIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY

亚特兰大佐治亚理工大学的研究人员开发了他们所称的世界上第一种功能齐全的石墨烯基半导体。这一突破有望彻底改变电子领域，实现更快的传统计算机，并为未来的量子计算机提供新材料。

这项研究于1月3日发表在《自然》（https://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）杂志上，由佐治亚理工大学物理学教授Walt de Heer领导，重点是利用外延石墨烯（https://spectrum.ieee.org/graphene-makes-infinite-copies-of-exotic-semiconductor-wafers），这是一种碳与碳化硅（SiC）化学键合的晶体结构。这种新型半导体材料被称为半导体外延石墨烯（SEC）——或者说，表观石墨烯——与传统硅相比，具有更强的电子迁移率，使电子能够以明显更小的电阻穿过。其结果是晶体管能够在太赫兹（https://spectrum.ieee.org/tag/terahertz）频率下工作，其速度是当前芯片中使用的硅基晶体管的10倍。

De Heer将该方法描述为一种已知了50多年的极其简单的技术的修改版本。de Heer说：“当碳化硅被加热到1000°C以上时，硅从表面蒸发，留下富含碳的表面，然后形成石墨烯。”

Georgia Tech Researchers Create First Functional Graphene Semiconductor

根据de Heer的说法，这个加热步骤是用氩石英管完成的，其中将两个SiC芯片的堆叠放置在石墨crucible中。然后，高频电流通过石英管周围的铜线圈，通过感应加热石墨crucible。这个过程大约需要一个小时。De Heer补充道，这种方式产生的SEC基本上是电荷中性的，当暴露在空气中时，它会自发地被氧气掺杂。通过在约200°C的真空中加热，可以很容易地去除这种氧掺杂。

de Heer说：“我们使用的芯片大约10美元，crucible大约1美元，石英管大约10美元。”

尽管自2008年以来人们就知道，通过在真空中用SiC加热石墨烯，可以使石墨烯表现得像半导体，但正是de Heer开发的方法使带隙发生了变化。de Heer说：“如果使用上述改进的方法进行正确的结合，那么结合是非常规则的，迁移率非常大，正如我们在论文中所展示的那样。”

半导体是任何电子设备中的关键部件，同时具有导体和绝缘体的特性。然而，硅作为半导体的主要材料（https://spectrum.ieee.org/topic/semiconductors/），在速度、发热和小型化方面正达到极限。De Heer强调，由于硅的这些限制，整个计算历史上的快速进步正在减速（https://spectrum.ieee.org/the-moores-law-machine）。

石墨烯是一种排列在六边形晶格中的单层碳原子，正成为硅的优良导体，有助于电子更有效地在材料中移动。尽管有这些优势，但之前将石墨烯集成到电子产品中的努力面临着挑战，因为没有带隙，这是晶体管开关的关键因素。

在开发石墨烯的功能机会方面，已经进行了十年的工作，这涉及到将原子化学键合到石墨烯上，使其呈现出带隙。De Heer指出，由于化学或机械组成方面的各种问题，以前的方法导致了低迁移率的半导体石墨烯。

例如，石墨烯带被认为是有前途的，但它们只是具有非常特定宽度的半导体。这些带状物最好通过化学方法制成，最终必须准确地沉积在基底上，然后用金属丝互连。

de Heer说：“石墨烯纳米带已经取得了一些成功，但原则上，这项技术与半导体碳纳米管技术非常相似，经过30年的纳米管研究，半导体碳纳米管一直没有成功。”

另一种给石墨烯带隙的方法是在材料中添加褶皱。机械变形将打开带隙，并且已经证明了高达0.2电子伏特的带隙。（相比之下，硅的带隙为1.12 eV，明显更大。）小的带隙使人们不清楚这些材料如何在应用中使用，而相对缺乏关于其迁移率的信息又增加了另一个复杂性。

de Heer说：“我们的研究与其他方法不同，因为我们在无缺陷、原子平坦的SiC平台上生产了大面积的半导体SEC。SiC是一种高度开发、易于获得的电子材料，与传统微电子加工方法完全兼容。”

在详细阐述其突破的潜在应用时，研究人员指出，石墨烯基半导体可以在量子计算中发挥关键作用。这是因为当石墨烯在非常低的温度下用于器件时，其电子表现出与光中所见类似的量子力学波状特性。

de Heer说：“石墨烯电子的一个主要方面是，我们可以利用硅电子中无法获得的电子和[电子]空穴的量子机械波特性。如果这是可能的，那么这就构成了电子技术的范式转变。”

然而，De Heer和他的研究团队承认，需要进一步探索，以确定石墨烯基半导体是否能超越目前先进量子计算机中使用的超导技术。

佐治亚理工大学的团队没有设想将石墨烯基半导体与标准硅或化合物半导体生产线相结合。相反，他们的目标是超越硅，利用碳化硅。他们正在开发方法，例如用氮化硼涂覆SEC，以保护和增强其与传统半导体线路的兼容性。

将他们的工作与商用石墨烯场效应晶体管（GFET）进行比较，de Heer解释说，有一个关键的区别：“传统的GFET不使用半导体石墨烯，这使得它们不适合需要完全关闭晶体管的数字电子产品。”他说，他的团队开发的SEC允许完全关闭，满足数字电子产品的严格要求。

De Heer说，开发这项技术需要时间。“我将这项工作与莱特兄弟的第一次100米飞行进行比较。这将主要取决于开发它所做的工作。”