超越锑化铟,采用碳可获得电子速度最快的芯片

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。