石墨烯芯片即將問世，摩爾定律不會(huì)終結(jié)，科學(xué)家造出首個(gè)石墨烯功能半導(dǎo)體

本文來自微信公眾號(hào)：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

目前，我們使用的芯片主要是硅基芯片，也就是說芯片是由硅材料制成的。隨著電子產(chǎn)品變得越來越小，芯片也逐漸變小。這就為硅基芯片帶來了問題：硅基芯片真的不能再小了，電子管也不能再小了。

用石墨烯代替硅

既然硅基芯片已經(jīng)走向了瓶頸，為了解決問題，很多科學(xué)家把目光投向其他材料。天津大學(xué)和美國佐治亞理工學(xué)院的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出世界第一個(gè)石墨烯功能半導(dǎo)體。這項(xiàng)研究發(fā)表在 2024 年 1 月 3 日的《自然》雜志上。

石墨烯是優(yōu)質(zhì)的芯片材料，乃至多種半導(dǎo)體材料的候選人，但為什么過去幾十年來，從沒人用石墨烯為材料來制作芯片呢？原因在于，石墨烯沒有合適的帶隙，換句話說，石墨烯不能像其他材料的半導(dǎo)體元件那樣，通過外加電壓或光照來控制電流的開關(guān)。這就限制了石墨烯元件的使用。

為此，中美研究團(tuán)隊(duì)想到了一種特殊的“熔爐”—— 準(zhǔn)平衡退火方法。利用這種特殊的熔爐，研究團(tuán)隊(duì)使石墨烯在碳化硅晶圓上生長出來，生長出外延石墨烯，從而使石墨烯體現(xiàn)出類似半導(dǎo)體的特性。為采用石墨烯為材料制造芯片，搬開了最后一塊絆腳石。

摩爾定律不會(huì)終結(jié)

1965 年，英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登?摩爾（Goldon Moore）預(yù)言，處理器的計(jì)算速度大約每兩年翻一倍。這就是“摩爾定律”。

摩爾定律當(dāng)時(shí)只是摩爾的一個(gè)預(yù)測，不過后來計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展也確實(shí)按照摩爾的預(yù)測來的。電子元件越來越小，使用的芯片也隨之變小，芯片的速率卻越來越快了。不過，花無百日紅，萬事都有個(gè)度。芯片的發(fā)展也是如此，因?yàn)樾酒霞傻木w管的大小已經(jīng)接近了極限，真是不能再小了，否則就會(huì)受到量子效應(yīng)的干擾。

那么問題來了，對(duì)于現(xiàn)在的硅基芯片來說，晶體管不能再小了，芯片上不能集成更多的晶體管，如何繼續(xù)提升芯片的速率？摩爾定律即將終結(jié)了嗎？

正因如此，科學(xué)家才開始尋找新的替代材料。這次中美科學(xué)家開發(fā)出的首個(gè)石墨烯功能性半導(dǎo)體就能完美解決這一問題。經(jīng)過研究團(tuán)隊(duì)的測量，在室溫條件下，石墨烯功能半導(dǎo)體的遷移率高達(dá) 5000cm2?/Vs，比硅基半導(dǎo)體高 10 倍，與其他二維半導(dǎo)體相比也高了 20 倍。而且，它的帶隙為 0.6eV，完全克服了石墨烯材料帶隙的問題。

更高的遷移率意味著更快的切換速度。也就是說，如果用石墨烯制造芯片，芯片的計(jì)算速度將更快，GPU、CPU 這樣的設(shè)備可以更高效地完成任務(wù)。

這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人之一、佐治亞理工學(xué)院的物理學(xué)教授沃爾特?德?黑爾（Walter de Heer）用了這樣一個(gè)比喻來形容石墨烯功能半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)，他把石墨烯功能半導(dǎo)體比作高速公路，而諸如硅基半導(dǎo)體的其他半導(dǎo)體則是石子路，很顯然在高速公路上行車的效率更高，車輛不會(huì)過快升溫，更重要的是速度更快。

那么，如果用石墨烯制造芯片，芯片將擁有更快的速率。這樣，也就不必再在大小有限的芯片上集成更多的晶體管了。換句話說，摩爾定律不會(huì)終結(jié)。

不僅如此，在化學(xué)性質(zhì)、機(jī)械性能和熱性能方面，石墨烯材料也比傳統(tǒng)的材料更有優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

• Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide | Nature

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