天津大学与佐治亚理工学院共创石墨烯芯片新时代

“芯片行业的新发现”

天津大学开发新的半导体材料

佐治亚理工学院的研究人员与中国天津大学合作开发了一种新的半导体材料，利用这项新技术，我们将能够制造出运行速度比以往快几个数量级的计算机芯片，这可能真正引发电子学的新时代。  

摩尔定律面临失效

    根据摩尔定律，芯片中的晶体管数量大约每2年就会增加一倍。这一观察结果最初由戈登·摩尔在 1965 年描述，但后来摩尔本人预测，这个比率最终会放慢速度，不幸的是，这是真实的。将越来越多的晶体管安装到单个硅芯片中变得越来越困难，甚至越来越昂贵，似乎我们正在达到一些硬性的物理限制 。  

晶体管尺寸持续减小

    但台积电、IBM和英特尔等公司仍然在付出很多努力，继续进一步缩小晶体管尺寸，让摩尔定律继续生效，目前我们的晶体管数量约为每平方毫米2亿个，这是一个令人印象深刻的数字，根据这张图表， 在过去的50年里，每平方毫米的晶体管数量增加了近60万倍。  

3D晶体管带来散热问题

    为了推动这一进程，我们开始在三维空间中构建晶体管，并开始将晶体管堆叠在一起，从而在同一区域容纳更多的晶体管。但是，因为垂直堆叠的设备严重遭受散热问题，没有散热路径，所以会导致过热。IBM 正在尝试解决这个问题，例如去年他们引入了垂直晶体管，这是一种新颖的架构，这些器件仍处于研究阶段。  

石墨烯的散热能力强

与此同时，研究人员不断寻找新的半导体材料，这些材料可以提供比硅更好的散热性能，并有可能取代它。很长一段时间以来，研究人员一直在研究石墨烯的可能性，石墨烯由于其特殊的晶体结构及其卓越的散热能力而非常有吸引力。它的导热率比硅高得多，因此这种新的基于石墨烯的设备在热管理方面要好得多。  

石墨烯的0带隙问题

石墨烯的好处不仅在于可以使物体变得更小、更快，而且散热更少，而且实际上利用了硅中无法获得的电子的适当特性。但石墨烯有一个基本问题，它实际上不是半导体，它具有零电子伏特带隙。现代的芯片，如CPU、GPU，它们都是用晶体管构建的。晶体管本质上是可以打开和关闭的微型开关，其状态基本上由施加到晶体管的电压控制。       因此，晶体管中的带隙至关重要，因为它决定了晶体管在状态之间切换所需的最小能量，理想情况下，我们希望晶体管的带隙足够小，以允许一定的导电性，但也不能太高，否则 它就是一种绝缘体而石墨烯的带隙为零，这意味着它具有高导电性，本质上它是一种半金属。  

SEG：半导体表观石墨烯

石墨烯的零带隙决定了我们无法用石墨烯制造出晶体管。但是，研究人员找到了一种用石墨烯制造完美半导体的方法。在工厂里，他们将碳化硅加热到超过 1,000°C 的高温，然后掺杂它。实际上，所有现代芯片中使用的硅也总是被掺杂的。通过改变石墨烯的特性，他们成功地引入了带隙，他们将这种新的半导体称为半导体表观石墨烯或简称为SEG。  

更快的开关速率

表观石墨烯晶体管构建在碳化硅衬底之上，当栅源电压大于某个阈值时，晶体管就会导通，电流就会流过。石墨烯的平坦度和能带结构允许电子弹道移动，实际上这意味着电子可以在半导体中移动得更快，这使得芯片速度更快，散热更少。这些新型晶体管可以非常快速地切换。它们可以支持太赫兹范围内的频率。  

与传统制造工艺兼容

这项工作的另一个优点是他们使用的制造工艺与传统的制造工艺兼容。因此，总体而言，这似乎是一项经济上可行的技术，更令人着迷的是，他们不仅设法在实验室中制造出基于石墨烯的芯片，而且还成功地在大型碳化硅晶圆上大量制造，没有缺陷。  

审核编辑：黄飞