石墨烯芯片即将问世，摩尔定律不会终结，科学家造出首个石墨烯功能半导体

SF中文
2024-01-20 12:30

现在，几乎所有的电子产品都依赖芯片，从手机、电脑到相机和智能电视。不过，随着芯片变得越来越小成为芯片设计的主流，芯片的性能已经逐渐接近理论上的物理极限。那么，未来，我们何去何从，是眼看着芯片的发展停滞不前，还是开发新的电子器件？可能我们还有另一条出路：所谓的物理极限也许不再是极限。

目前，我们使用的芯片主要是硅基芯片，也就是说芯片是由硅材料制成的。随着电子产品变得越来越小，芯片也逐渐变小。这就为硅基芯片带来了问题：硅基芯片真的不能再小了，电子管也不能再小了。

用石墨烯代替硅

既然硅基芯片已经走向了瓶颈，为了解决问题，很多科学家把目光投向其他材料。天津大学和美国佐治亚理工学院的联合研究团队开发出世界第一个石墨烯功能半导体。这项研究发表在 2024 年 1 月 3 日的《自然》杂志上。

石墨烯是优质的芯片材料，乃至多种半导体材料的候选人，但为什么过去几十年来，从没人用石墨烯为材料来制作芯片呢？原因在于，石墨烯没有合适的带隙，换句话说，石墨烯不能像其他材料的半导体元件那样，通过外加电压或光照来控制电流的开关。这就限制了石墨烯元件的使用。

为此，中美研究团队想到了一种特殊的“熔炉”—— 准平衡退火方法。利用这种特殊的熔炉，研究团队使石墨烯在碳化硅晶圆上生长出来，生长出外延石墨烯，从而使石墨烯体现出类似半导体的特性。为采用石墨烯为材料制造芯片，搬开了最后一块绊脚石。

2011 年，IBM 公司研发出世界首个石墨烯集成电路。这个集成电路被应用于无线电收音机，但研发人员依旧没有解决带隙的问题。（图片来源：IBM）

摩尔定律不会终结

1965 年，英特尔公司的联合创始人戈登・摩尔（Goldon Moore）预言，处理器的计算速度大约每两年翻一倍。这就是“摩尔定律”。

摩尔定律当时只是摩尔的一个预测，不过后来计算机行业的发展也确实按照摩尔的预测来的。电子元件越来越小，使用的芯片也随之变小，芯片的速率却越来越快了。不过，花无百日红，万事都有个度。芯片的发展也是如此，因为芯片上集成的晶体管的大小已经接近了极限，真是不能再小了，否则就会受到量子效应的干扰。

那么问题来了，对于现在的硅基芯片来说，晶体管不能再小了，芯片上不能集成更多的晶体管，如何继续提升芯片的速率？摩尔定律即将终结了吗？

正因如此，科学家才开始寻找新的替代材料。这次中美科学家开发出的首个石墨烯功能性半导体就能完美解决这一问题。经过研究团队的测量，在室温条件下，石墨烯功能半导体的迁移率高达 5000cm² /Vs，比硅基半导体高 10 倍，与其他二维半导体相比也高了 20 倍。而且，它的带隙为 0.6eV，完全克服了石墨烯材料带隙的问题。

更高的迁移率意味着更快的切换速度。也就是说，如果用石墨烯制造芯片，芯片的计算速度将更快，GPU、CPU 这样的设备可以更高效地完成任务。

这项研究的负责人之一、佐治亚理工学院的物理学教授沃尔特・德・黑尔（Walter de Heer）用了这样一个比喻来形容石墨烯功能半导体的优势，他把石墨烯功能半导体比作高速公路，而诸如硅基半导体的其他半导体则是石子路，很显然在高速公路上行车的效率更高，车辆不会过快升温，更重要的是速度更快。

那么，如果用石墨烯制造芯片，芯片将拥有更快的速率。这样，也就不必再在大小有限的芯片上集成更多的晶体管了。换句话说，摩尔定律不会终结。

不仅如此，在化学性质、机械性能和热性能方面，石墨烯材料也比传统的材料更有优势。

参考文献：

Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide | Nature

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