Only Perception: 如何解決石墨烯電晶體的大問題？

2013-08-22

如何解決石墨烯電晶體的大問題？

How to Save the Troubled Graphene Transistor
http://www.technologyreview.com/view/518426/how-to-save-the-troubled-graphene-transistor/

The Physics arXiv Blog
August 20, 2013

不像傳統的半導體，石墨烯無法關閉，此問題威脅到石墨烯在未來世代的電晶體中的運用。現在，物理學家認為他們已經找到一種解決方法。

矽晶片註定要失敗（the writing is on the wall）。半世紀以來電晶體一直都在縮小，不過它們不可能一直變得更小。業界絕大多數的權威人士認為，矽晶片的「縮小」技術撐不過 2026 年。當然，最大的問題是，什麼東西將取而代之。

一個可能性是石墨烯，世界各地已有眾多團隊利用它製造出超級無敵快的電晶體。去年，一個團隊使一個石墨烯電晶體以相當酷的 427 GHz 時脈運作。所以你會以為石墨烯正是矽的完美替代品。

沒這麼快。石墨烯有個大問題，使得它難以用在電晶體中 -- 它沒有能隙（band gap，能帶隙）。

這意味著，石墨烯中並沒有「電子態無法存在」的能量範圍。換言之，要關掉（switch off）石墨烯是不可能的事。而這對於電晶體而言，是個大麻煩。

今天，Guanxiong Liu 及其在加州大學 Riverside 的夥伴表示，他們已經找到一種方法來解決這個問題，那讓沒有能隙的石墨烯電晶體以全然不同於傳統開開關關的方式運作。"所獲致的結果代表了一種石墨烯研究中的概念轉變，並為石墨烯在資訊處理中的應用指出一條不一樣的路線，" 他們說。

每種固態材料都有它自己的特徵能帶，在其中，電子能夠流動以形成導體，或著被阻止流動以形成絕緣體。在半導體中，電子無法在低能態中流動，故此材料表現如同某種絕緣體。然而，相對少量的能量能將電子推入所謂的導電帶（conduction band），在此它們能自由流動形成一種導體。

絕緣態與導電態之間的能量差異就是能隙，而從某種狀態切換到另一種的能力，則界定了這種電晶體的特性。

石墨烯的問題是，它沒有能隙；電子能在任何能量狀態下流動。所以工程師對付石墨烯的主要焦點在於尋找各種創造出人造能隙的方法，這包括施加電場、摻雜原子或是透過延伸與擠壓這種材料。

這些方法獲致略遜一籌的成功。在室溫下，實用的數位電路大約需要 1 eV 的能隙。不過絕大多數的努力只產生略遜一籌的、只有幾百 meV 的能隙。

即便能夠這樣，也要耗費不少成本。最好的石墨烯電晶體真的無敵快，不過它們像沒有明天那樣散失能量，所滲漏的電流也如同過篩之水。

現在 Liu 等人想出一種全然不同的方法。"我們故意避開任何人為誘發能帶的嘗試，那會使石墨烯「更像矽」，" 他們說。相反地，他們倚賴另一種不同的現象，稱為「負電阻（negative resistance）」來創造出電晶體般的行為。

負電阻是一種違反直覺的現象，當一電流進入材料時會導致其電壓下降。不同的團體，包括 Riverside 這一個，均已證明石墨烯在某些情況下會呈現負電阻。

他們的構想是，拿一個標準的石墨烯場效應電晶體，並找到會使其呈現負電阻（或是他們所說的「負微分電阻，negative differential resistance」）的情況。他們接著把電壓的下降，如同某種「開關」，用來展現「邏輯」。

事實上，這份論文的主要貢獻在於，數個石墨烯場效應電晶體能如何被結合與操縱，產生傳統的邏輯閘。

而結果大有可為。Liu 等人設計出一個基於石墨烯的電路，那能夠匹配樣式（match patterns）並展現出數種勝過矽版本的重要優勢，藉此證明其方法的效益。

一開始，Liu 等人僅以三個石墨烯場效應電晶體就建立了基本的 XOR 閘，相較之下，矽版本需要用八個以上。那可以解釋成：在晶片上所需要的空間更小了。更讚的是，石墨烯電晶體能以超過 400 GHz 的速度運作。

這些都可以解釋成，一個表現明顯優於矽的系統。他們說效能 "比任何已報告的或甚至是專案等級（projected scaled）的電路還高了幾個數量級。"

當然，在這個構想真的能引起廣泛注意之前，某人得先建造並測試這些裝置。不過 Riverside 團隊的方法則對一個讓工程師失眠好一陣子的問題，提供了一種非傳統且有創意的解決方案。

石墨烯的負電阻或許真的有可能讓他們獲得渴望已久的一夜好眠。

※ 相關報導：

＊ Graphene-Based Non-Boolean Logic Circuits
http://arxiv-web3.library.cornell.edu/abs/1308.2931