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                  石墨烯應用前景(二):高速石墨烯晶體管和光學(xué)元件將誕生

                  北京時(shí)間01月21日消息,中國觸摸屏網(wǎng)訊,在通道層采用石墨烯的高速晶體管開(kāi)發(fā)方面非常積極的企業(yè)之一是美國IBM公司。該公司曾于2008年開(kāi)發(fā)出了若干個(gè)石墨烯晶體管,并在2010年12月的國際學(xué)會(huì )“IEDM 2010”上發(fā)布了柵長(cháng)240nm、截止頻率為230GHz的石墨烯FET等,在相關(guān)研發(fā)活動(dòng)中一直位于******地位。


                    不過(guò)近期有不少競爭對手正在奮起直追IBM。比如韓國三星技術(shù)研究所(Samsung Advanced Institute of Technology,SAIT)。SAIT在IEDM 2010上發(fā)布了截止頻率為202GHz(柵長(cháng)為180nm),直逼IBM公司的石墨烯FET。另外,日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、富士通研究所、NTT物性科學(xué)基礎研究所和美國波音公司(Boing)與美國通用公司的共同研究機構美國休斯研究所(HRL Laboratories, LLC)等眾多研究機構和企業(yè)也都紛紛加入了開(kāi)發(fā)競爭的行列。


                    2年時(shí)間性能提高10倍


                    實(shí)際上,目前***快的石墨烯晶體管既不是出自IBM公司、也不是出自三星公司,而是美國加州大學(xué)洛杉磯分校(University of California, Los Angeles,簡(jiǎn)稱(chēng)UCLA)制作的晶體管。UCLA曾于IEDM 2010之前的2010年9月在學(xué)術(shù)雜志《Nature》上發(fā)表了截止頻率為300GHz(柵長(cháng)為144nm)的石墨烯FET。300GHz的截止頻率可以與采用GaAs和InP等化合物半導體的晶體管相匹敵。


                    不過(guò),UCLA的石墨烯FET所采用的元件構造和材料略顯獨特,例如柵電極材料采用以Al2O3涂覆的Co2Si納米線(xiàn)。


                    無(wú)論是哪個(gè)公司進(jìn)行開(kāi)發(fā),惹人注目的是開(kāi)發(fā)速度都非???。比如,IBM公司柵長(cháng)150nm、截止頻率為26GHz的石墨烯FET是在2008年12月的IEDM上發(fā)布的。從那時(shí)起還不到兩年時(shí)間,截止頻率提高了10倍左右。如果繼續這樣發(fā)展下去,到2011年中期采用化合物半導體的晶體管的截止頻率可能會(huì )超過(guò)600GHz,到2011年12月,截止頻率可能會(huì )提高到1THz。


                    以THz頻率工作的晶體管連接電和光


                    各公司為何紛紛傾向于利用石墨烯的高速晶體管開(kāi)發(fā)呢?其原因之一在于如果開(kāi)發(fā)出以THz頻率工作的晶體管,能夠使迄今在技術(shù)方面有很大不同的電子和光子、也是電和光的控制技術(shù)實(shí)現無(wú)縫連接。


                    近期,NEC等開(kāi)發(fā)出了通過(guò)名為太赫茲波的波長(cháng)為0.1mm左右的電磁波制作圖像傳感器等的技術(shù)。雖然在這種情況下電磁波頻率為3THz,但目前還未開(kāi)發(fā)出能夠以該頻率工作的晶體管,因此大多應用于“光學(xué)方面”,******地說(shuō)是紅外線(xiàn)收發(fā)技術(shù)方面。不過(guò),由于作為受光元件使用的輻射熱測量計 (Bolometer)的響應時(shí)間長(cháng)達10μs,因此不能應用于“太赫茲波通信”用途。


                    要充分利用太赫茲波所具有的潛力和信息量,需要能像手機電子電路一樣在THz頻率下工作的光收發(fā)元件、控制電路和信號處理電路。反之,如果能夠實(shí)現這個(gè)條件,超過(guò)毫米波通信的幾十G~幾百Gbit/秒的超高速通信便成為可能。


                    積極進(jìn)行這一方面開(kāi)發(fā)的研究機構之一是美國國防部研究計劃局(DARPA)。DARPA在名為“Carbon Electronics for RF Applications(CERA)”的項目中,提出了到2013年實(shí)現以500GHz頻率工作的石墨烯FET的實(shí)用化的目標。要使工作頻率達到 500GHz,一般情況下截止頻率需要達到其3倍、也是1.5THz,不過(guò)從迄今石墨烯FET呈現出的高速發(fā)展態(tài)勢來(lái)看,實(shí)現可能性非常大。


                    應用于光學(xué)元件非常容易?


                    除高速晶體管外,石墨烯作為光學(xué)方面的技術(shù)也具有很大的應用前景。具體來(lái)說(shuō),如果活性層材料采用石墨烯,包括紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)和太赫茲波在內帶寬非常大的波長(cháng)的激光振蕩便越來(lái)越可能。雖然此處主要探討的是作為光學(xué)方面技術(shù)的應用,不過(guò)也有研究人員斷言“雖然在石墨烯晶體管用途方面還存在一些課題,但作為光學(xué)元件來(lái)說(shuō)幾乎不存在什么課題”(日本東北大學(xué)電氣通信研究所尾辻泰一教授)。


                    在這一領(lǐng)域目前也有非常多的研究機構在積極推進(jìn)開(kāi)發(fā)。其中日本東北大學(xué)、英國劍橋大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)(Nanyang Technological University)等目前在研發(fā)方面處于******地位。


                    除晶體管之外,如果發(fā)光元件等也能用石墨烯制作,材料本身無(wú)需再使用高價(jià)化合物半導體,同時(shí)還可大幅降低整個(gè)元件的成本。


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