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美科学家称碳晶体管会成为最快的晶体管 |
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http://cn.newmaker.com
3/28/2008 9:09:00 PM
佳工机电网
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马里兰大学的研究人员称,碳晶体管会成为最快的晶体管,可以超越包括锑化铟在内的所有芯片材料。
在College Park分校的这个研究团队最近对单层石墨烯作了表征,该材料由单原子层的纯碳片层构成。他们发现,与大部分半导体材料不同,石墨烯的相不随温度而改变。通常来说,电子的速度——也叫电子迁移率——是与温度成比例变化的(由于低温下晶格振动,也称为声子,对电子的散射更少,因此温度越低电子流动越好)。
基于这样的特性,研究人员认为,如果为芯片选择了合适的衬底材料,纯石墨烯晶体管就可以在室温条件下获得最高的速度。
“我们在50开氏度(零下370华氏度)和500开氏度(450华氏度)之间测量了单层石墨烯的电子迁移率,发现无论温度怎么变化,(电子迁移率)大概都是15,000 cm2/Vs,这太不寻常了,”马里兰大学“纳米物理和先进材料中心”及“马里兰纳米中心”的团队负责人Michael Fuhrer这样介绍。
在硅材料中,电子的迁移率大概是1,400 cm2/Vs,此外,目前已知的最高电子迁移率是在锑化铟材料中实现的,可达77,000 cm2/Vs。于此不同,马里兰大学的研究人员测量出石墨烯的晶格振动最为微弱,而像杂质和衬底选择这样的二级效应对迁移率的影响会比声子更大。
“考虑到石墨烯中声子对电子的散射非常微弱,我们倾向于相信速度极限是由杂质造成的。如果可以去除这些杂质,我们相信在室温下可以实现高达200,000 cm2/Vs的电子迁移率——这比现在的硅材料要快100倍,”Fuhrer这样说。
作为对比,在碳纳米管中测得的电子迁移率为100,000 cm2/Vs,该值是单层石墨烯的一半。为了实现最高的迁移率,需要采用单层石墨烯来制造纯碳晶体管,研究人员认为他们需要不同于普通氧化硅的衬底材料,但目前他们仍在使用氧化硅来进行测试。候选的材料包括碳化硅和金刚石。
当然其他方案还包括完全去除衬底,在石墨烯晶体管沟道下面形成空气间隙。
由于“石墨烯本身的晶格振动非常微弱,那些研究较少的二级效应将会变得显著,”Fuhrer说:“衬底上的声子,也就是氧化硅的晶格振动,显然散射了石墨烯中的电子,我们认为这种效应使得电子迁移率无法高于40,000 cm2/Vs。”
下一步,研究人员将尝试广泛应用的碳化硅衬底,这种衬底可以预先制作到晶圆上。该团队还计划将石墨烯沉积到金刚石衬底的顶层。他们还将尝试空气间隙,当然,Fuhrer也指出这种结构的制作比目前商用器件要困难很多。
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