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以碳為基板材料 可望實現速度更快的晶片

上網時間: 2008年03月31日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:銻化銦  碳電晶體  晶片 

美國馬里蘭大學(University of Maryland)的研究人員表示,未來碳電晶體的效能表現將超越那些使用包括銻化銦(indium antimonide)等材料、號稱速度最快的晶片

該大學College Park分校的研究團隊,近日對單層石墨烯(graphene monolayers)進行了分析,該材料由一個原子厚的純碳片層所構成。他們發現,與大部份半導體材料不同,石墨烯的不會隨著溫度產生相變化。

一般來說,電子的速度──或稱電子遷移率(electron mobility)──是與溫度成比例變化的(由於在低溫下晶格振動較少,對電子的散射也更少,因此溫度越低電子遷移率越好)。基於這樣的特性,研究人員認為,如果為晶片選擇了合適的基板材料,純石墨烯電晶體就可以在室溫條件下獲得最高的速度。

「我們在50Kelvin (華氏零下370度)和500 Kelvin (華氏450度)之間,測量了單層石墨烯的電子遷移率,發現無論溫度怎麼變化,其電子遷移率大概都是15,000cm2/Vs,這十分不尋常。」馬里蘭大學的研究團隊負責人Michael Fuhrer表示。

材料的電子遷移率大概是1,400 2/Vs,而目前已知的最高電子遷移率是在銻化銦材料中實現的,可達77,000 2/Vs。但馬?媊鶪j學的研究人員測量出,石墨烯的晶格振動最為微弱,而像雜質和底板選擇這樣的二級效應,對遷移率的影響會比聲子(phonons)更大。

「考慮到石墨烯中聲子對電子的散射非常微弱,我們傾向於相信速度極限是由雜質造成的。如果可以去除這些雜質,我們相信在室溫下可以實現高達200,0002/Vs的電子遷移率──這比現在的矽材料要快100倍。」Fuhrer表示。

作為對比,在碳奈米管中測得的電子遷移率為100,0002/Vs,該值是單層石墨烯的一半。為了實現最高的遷移率,需要採用單層石墨烯來製造純碳電晶體,研究人員認為他們需要不同於普通氧化矽的底板材料,但目前他們仍在使用氧化矽來進行測試。候選的材料包括碳化矽(silicon carbide)和鑽石。

當然其他解決方案還包括完全去除基板的使用,而在石墨烯電晶體通道下使用空氣間隙(air gaps)。

由於「石墨烯本身的晶格振動非常微弱,那些較少被研究的二級效應將會變得顯著;」Fuhrer說:「底板上的聲子,也就是氧化矽的晶格振動,顯然散射了石墨烯中的電子,我們認為這種效應使電子遷移率無法高於40,0002/Vs。」

下一步,研究人員將嘗試廣泛應用的碳化矽底板,這種底板可以預先製作到晶圓上。該團隊還計劃將石墨烯沈積到鑽石基板的頂層。他們也將嘗試使用空氣間隙,不過Fuhrer也指出,這種結構的製作比目前的商用元件要困難很多。

(參考原文: Carbon could enable fastest chips)

(R. Colin Johnson)





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