“芯片行業(yè)的新發(fā)現(xiàn)”

天津大學(xué)開發(fā)新的半導(dǎo)體材料

佐治亞理工學(xué)院的研究人員與中國天津大學(xué)合作開發(fā)了一種新的半導(dǎo)體材料，利用這項新技術(shù)，我們將能夠制造出運行速度比以往快幾個數(shù)量級的計算機芯片，這可能真正引發(fā)電子學(xué)的新時代。 ?

摩爾定律面臨失效

??? 根據(jù)摩爾定律，芯片中的晶體管數(shù)量大約每2年就會增加一倍。這一觀察結(jié)果最初由戈登·摩爾在 1965 年描述，但后來摩爾本人預(yù)測，這個比率最終會放慢速度，不幸的是，這是真實的。將越來越多的晶體管安裝到單個硅芯片中變得越來越困難，甚至越來越昂貴，似乎我們正在達(dá)到一些硬性的物理限制?。 ?

晶體管尺寸持續(xù)減小

??? 但臺積電、IBM和英特爾等公司仍然在付出很多努力，繼續(xù)進(jìn)一步縮小晶體管尺寸，讓摩爾定律繼續(xù)生效，目前我們的晶體管數(shù)量約為每平方毫米2億個，這是一個令人印象深刻的數(shù)字，根據(jù)這張圖表， 在過去的50年里，每平方毫米的晶體管數(shù)量增加了近60萬倍。 ?

3D晶體管帶來散熱問題

??? 為了推動這一進(jìn)程，我們開始在三維空間中構(gòu)建晶體管，并開始將晶體管堆疊在一起，從而在同一區(qū)域容納更多的晶體管。但是，因為垂直堆疊的設(shè)備嚴(yán)重遭受散熱問題，沒有散熱路徑，所以會導(dǎo)致過熱。IBM 正在嘗試解決這個問題，例如去年他們引入了垂直晶體管，這是一種新穎的架構(gòu)，這些器件仍處于研究階段。 ?

石墨烯的散熱能力強

與此同時，研究人員不斷尋找新的半導(dǎo)體材料，這些材料可以提供比硅更好的散熱性能，并有可能取代它。很長一段時間以來，研究人員一直在研究石墨烯的可能性，石墨烯由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)及其卓越的散熱能力而非常有吸引力。它的導(dǎo)熱率比硅高得多，因此這種新的基于石墨烯的設(shè)備在熱管理方面要好得多。 ?

石墨烯的0帶隙問題

石墨烯的好處不僅在于可以使物體變得更小、更快，而且散熱更少，而且實際上利用了硅中無法獲得的電子的適當(dāng)特性。但石墨烯有一個基本問題，它實際上不是半導(dǎo)體，它具有零電子伏特帶隙。現(xiàn)代的芯片，如CPU、GPU，它們都是用晶體管構(gòu)建的。晶體管本質(zhì)上是可以打開和關(guān)閉的微型開關(guān)，其狀態(tài)基本上由施加到晶體管的電壓控制。 ? ????因此，晶體管中的帶隙至關(guān)重要，因為它決定了晶體管在狀態(tài)之間切換所需的最小能量，理想情況下，我們希望晶體管的帶隙足夠小，以允許一定的導(dǎo)電性，但也不能太高，否則 它就是一種絕緣體而石墨烯的帶隙為零，這意味著它具有高導(dǎo)電性，本質(zhì)上它是一種半金屬。 ?

SEG：半導(dǎo)體表觀石墨烯

石墨烯的零帶隙決定了我們無法用石墨烯制造出晶體管。但是，研究人員找到了一種用石墨烯制造完美半導(dǎo)體的方法。在工廠里，他們將碳化硅加熱到超過 1,000°C 的高溫，然后摻雜它。實際上，所有現(xiàn)代芯片中使用的硅也總是被摻雜的。通過改變石墨烯的特性，他們成功地引入了帶隙，他們將這種新的半導(dǎo)體稱為半導(dǎo)體表觀石墨烯或簡稱為SEG。 ?

更快的開關(guān)速率

表觀石墨烯晶體管構(gòu)建在碳化硅襯底之上，當(dāng)柵源電壓大于某個閾值時，晶體管就會導(dǎo)通，電流就會流過。石墨烯的平坦度和能帶結(jié)構(gòu)允許電子彈道移動，實際上這意味著電子可以在半導(dǎo)體中移動得更快，這使得芯片速度更快，散熱更少。這些新型晶體管可以非常快速地切換。它們可以支持太赫茲范圍內(nèi)的頻率。 ?

與傳統(tǒng)制造工藝兼容

這項工作的另一個優(yōu)點是他們使用的制造工藝與傳統(tǒng)的制造工藝兼容。因此，總體而言，這似乎是一項經(jīng)濟上可行的技術(shù)，更令人著迷的是，他們不僅設(shè)法在實驗室中制造出基于石墨烯的芯片，而且還成功地在大型碳化硅晶圓上大量制造，沒有缺陷。 ?

審核編輯：黃飛

?