中美合作的石墨烯半导体是怎么回事

天津大学和美国佐治亚理工学院的研究人员发现了一种新型半导体，它是使计算机比以往更快、更小的真正候选者。

1965年，英特尔背后的大脑之一戈登·摩尔注意到，芯片上的晶体管数量大约每两年增加了一倍。这个说法被称为摩尔定律，但在一两年前，英伟达宣布了摩尔定律的失效。基本问题是，到目前为止，作为计算机基本逻辑组件的晶体管的尺寸仅为纳米级，所以将越来越多的晶体管压缩到更小的空间中变得越来越困难。

当我们接近单个原子的尺寸时，此时量子物理学变得很重要，这使事情变得更加复杂。这并不意味着不可能进一步缩小规模，但需要一些全新的理论，例如自旋电子学或量子点等。从制造的角度来看，它们有点没有吸引力，因为这需要做出很多改变。

大多数芯片制造商目前追求的途径是将晶体管堆叠在一起，晶体管被蚀刻到彼此相邻的平坦硅表面上。把它们堆叠起来，那么我们可以得到更多的计算能力，这将延续摩尔定律的寿命。然而我们会遇到一个新问题，那就是它们会变得太热。解决这个问题的一种方法是使用更有效的冷却技术，如带有液体的微小通道等。但问题是，从制造角度来看，这对他们来说同样没有吸引力，因为不能像以前那样继续生产芯片。

要为摩尔定律续命，最方便的事情是继续寻找一种比硅更能散热，并且可以与现代生产技术相配合的新晶体管材料。我们知道这样一种材料，它就是石墨烯。

你可能已经看过石墨烯的图像，它是以蜂窝图案排列的单层碳原子，特点是它能很好地散发热量。因此自2004年发现石墨烯以来，石墨烯晶体管的想法就一直存在。但不幸的是，虽然石墨擅长散热并且擅长导电，但它不是半导体。

半导体是一种可以施加电流以使其从非导电状态切换到导电状态的材料。为此，电子带中需要所谓的带隙。如果施加足够高的电压，将推动电子到上能带，半导体就会导电。这就是为什么可以将它们用作逻辑元件，因为我们可以打开和关闭它们。

但石墨烯不具有良好的带隙，它被认为是准金属，因为严格来说它不是一种金属，但它的导电能力与金属非常相似。这意味着它无法实现晶体管作为开关的功能。科学家们想出了几种方法来尝试解决这个问题，例如他们使用卷成碳纳米管的石墨烯。通过扭转它们，可以在导电和不导电之间切换，并且可以用它们来制造晶体管。但问题又是，生产这些纳米管并使用它们构建芯片对于大规模生产来说太麻烦了。

而天津大学和美国佐治亚理工学院的研究人员做了一些完全不同的事情，他们在碳化硅晶圆上生长了一层石墨烯。碳化硅本身是一种半导体，而且它具有相当大的带隙。基本上，他们发现了可以将碳化硅与石墨烯结合起来，得到一种稳定的材料，该材料既具有带隙，又比硅散发的热量高10倍。他们还非常彻底地记录了如何生产这种材料，并测试了它的强度和稳定性可以用于晶体管。

老实说，这是非常令人兴奋的。经过20年的研究石墨烯在使用上并没有太大的意义，但这次终于有所进展了。但从实验室到商业化还有很长的路要走，所以恐怕我们还得再等一段时间。