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全球首次!将引发半导体革命的石墨烯,中国科学家取得新突破

近日,中国科学家在《自然·通讯》(Nature Communications)上在线发表了题为“垂直结构的硅-石墨烯-锗晶体管”(A vertical silicon-graphene-germanium transistor)的研究论文,这意味柘中国科学家首次制成了高速晶体管。

1945年秋天,贝尔实验室成立了以肖克莱为首的半导体研究小组,成员有布拉顿、巴丁等人。他们经过一系列的实验和观察,逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。在1950年,第一只“PN结型晶体管”问世,今天的晶体管,大部分仍是这种PN结型晶体管。

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PN结型晶体管的出现,开辟了电子器件的新纪元,引起了一场电子技术的革命。

1958 年,来自德州仪器(不是山东德州哈)的杰克·基尔比灵光一闪,能否利用单独一片硅做出完整的电路,如此可把电路缩到极小。当时基尔比的想法遭到了所有同样的笑话。幸好,德州仪器的老板觉得基尔比的想法好像有实践价值,就支持他的想法。

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之前的电路还是分立元件构成,也就是在PCB(印刷电路板)把三极管、二极管焊接起来构成芯片,而基尔比却尝试在锗半导体芯片上生成了三极管等多个元件,并在元件之间用细金属连线连接,从而形成了集成电路。之前由分立元件构成的2500px²印刷电路板,在集成电路上只需要1mm²的芯片就可以实现相同的功能。

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我们所说的集成电路指的是采用特定的制造工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及元件间的连线,集成制作在一小块硅基半导体晶片上并封装在一个腔壳内,成为具有所需功能的微型器件。

杰克·基尔比的发明为半导体时代的到来奠定了基础,揭开二十世纪信息革命的序幕,时至今日,半导体工业大多数应用的还是基于硅的集成电路,我们称之为硅晶片时代。

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然而随着计算机的发展,半导体制程的不断突破,使得硅晶片的使用已经到达了物理极限,再加上硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低,硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制,在高频下工作性能较差,不适用于高压应用场景,光学性能也得不到突破。

所以科学家一直想用新材料来代替硅,科学家认为,新材料的突破将对整个半导体行业进行大洗牌,终结整个以硅为核心的半导体时代,并且可能带来第四次工业革命。(新材料、基因工程、量子科学、人工智能、核聚变,科学界认为第四次工业革命将会在这五者之间诞生)

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而石墨烯是一种二维晶体,由碳原子按照六边形进行排布,相互连接,形成一个碳分子,其结构非常稳定;随着所连接的碳原子数量不断增多,这个二维的碳分子平面不断扩大,分子也不断变大。

单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即0.335纳米,相当于一根头发的20万分之一的厚度,1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。

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硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作,然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少。此外,石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量。由于具有优异的性能,由石墨烯制造的电子产品运行的速度要快得多。

目前,硅器件的工作速度已达到千兆赫兹的范围。而石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到太赫兹,即1千兆赫兹的1000倍。如果能进一步开发,其意义不言而喻。

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太赫兹,实际上是一个频率单位,1THz=1000GH,人们对太赫兹研究主要在0.1THz~10THz之间。正是因为其特殊性,让其具有频率高、脉冲短、穿透性强,且能量很小,对物质与人体的破坏较小等特质。太赫兹曾被评为“改变未来世界的十大技术”之一,科学家认为太赫兹拥有广泛的应用前景。

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目前已报道的石墨烯基区晶体管,普遍采用隧穿发射结,然而隧穿发射结的势垒高度,严重限制了该晶体管作为高速电子器件的发展前景。

而沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部科研人员首次制备出的以肖特基结作为发射结的垂直结构晶体管“硅-石墨烯-锗晶体管”,实现了由单晶硅和单硅石墨烯构成的肖特基发射极,成功将石墨烯基区晶体管的延迟时间缩短了1000倍以上,并将其截止频率由兆赫兹提升至吉赫兹领域。

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图1 硅-石墨烯-锗晶体管的设计和制备。a. 器件的制备流程。b-d. 器件的光学、SEM和截面示意图。e. 器件原理示意图。

我们都知道,采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结,而肖特基结是一种简单的金属与半导体的交界面,它与PN结相似,具有非线性阻抗特性。

已报道的隧穿发射结相比,硅-石墨烯肖特基结表现出目前最大的开态电流(692 A cm-2 @ 5V)和最小的发射结电容(41 nF cm-2),从而得到最短的发射结充电时间(118 ps),使器件总延迟时间缩短了1000倍以上(128 ps),可将器件的截止频率由约1.0 MHz提升至1.2 GHz。

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硅-石墨烯发射结性能。a. 发射结IV曲线。 b. 漏电流和温度的依赖关系。c. 与隧穿发射结的开态电流的对比。 d. 与隧穿发射结的共基极截止频率的对比。

通过使用掺杂较重的锗衬底(0.1 Ω cm),可实现共基极增益接近于1且功率增益大于1的晶体管。

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硅-石墨烯-锗晶体管性能。a-d. 使用轻掺杂Ge衬底时的硅-石墨烯发射结和石墨烯-锗集电结IV曲线、输入(Ie-Ve)和转移(Ic-Ve)特性曲线、共基极增益α、输出特性(Ic-Vc)曲线。e-h. 使用重掺杂Ge衬底时的相应曲线。

科研人员同时对器件的各种物理现象进行了分析。通过基于实验数据的建模,科研人员发现该器件具备了工作于太赫兹领域的潜力,而这对于未来的晶体管研制具有十分重要的意义。。

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考虑石墨烯量子电容效应时晶体管的能带示意图。a. 无偏压。b. 发射结正偏。c. 集电结反偏。相关物理现象及应用研究介绍详见论文补充材料。

可以说,这一研究工作提升了石墨烯基区晶体管的性能,未来将有望在太赫兹领域的高速器件中应用,为最终实现超高速晶体管奠定了基础。

不过,这仅仅是第一步,未来还有许多工作要做,但是既然取得了第一步的突破,我们就有希望将终结硅晶片时代的机会抓在自己手里,总而引领下一次半导体革命。

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