石墨烯：终极开关

From IEEE Spectrum: http://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/graphene-the-ultimate-switch/0

石墨烯可以代替晶体管开关，因为它可以像光束一样控制电子

llustration: Bryan Christie Design

对于晶体管来讲，从外面看其工作原理比较简单和直接，电子的运动受到栅极电压的控制。而在晶体管内部，以原子层级来看，电子的运动却非常混乱，电子不断地与大量的缺陷和振动的部位相撞，影响电子的迁移速率。

而 在石墨烯内部运动的电子却具有不同的特性，由于量子力学的奇异特性，电子在通过仅有原子厚度的石墨烯薄层时不会发生那么多的碰撞，因此电子的运动轨迹为与 光子可比拟的直线，产生类光的特性。可以想象，电子的运动速率将会大大增加，并且在进入另一种介质时会产生反射和折射的现象。

CMOS集成电路的进程已经要走到头了，美国已经开展了大量的研究来对CMOS的替代技术进行验证，例如Nanoelectronics Research Initiative计划。大概有6、7种替代技术正在研究，原文作者对石墨烯的替代技术抱有很大希望。

在石墨烯内，电子运行的速率为光速的1/300，大概是Si CMOS内部的10倍，显然可以制造出更快速的器件。采用石墨烯的技术甚至可以对器件逻辑进行真正意义上的重配置，将一个与门变成或门等等，这是普通技术无法实现的梦。

石墨烯内部的电子能级中，禁带与导带刚好重叠，这不同于金属和半导体的特性，电子从禁带跃迁到导带几乎不需要能量。电子一开始运动似乎就无法再停下来了。光子没有质量但是有动量，电子的质量也可以忽略，所以在石墨烯内，电子业可以轻易达到很快的速度。

虽然石墨烯已经被用来制造了高速的晶体管，用于射频放大，现在已达到280 GHz的工作速率(up to frequencies of 280 gigahertz.)，预期将在2013年达到500 GHz的速率。但是用于石墨烯晶体管较差的开关性能，用来实现二进制逻辑还是十分困难。

如何实现开关晶体管，原文作者采用了类似光的控制思路，在石墨烯内部形成反射面的方法来达到开关的目的。

那么如何在石墨烯内部实现反射呢？这需要先介绍石墨烯的一个重要特性，这需要在石墨烯中产生不同性质的介质，例如p型和n型材料

首 先，如何将石墨烯变成p型或n型的材料？在基底上面生长一层金属或者过掺杂，然后再将表面氧化，再将石墨烯铺在该氧化层上，石墨烯的边缘再加上电极。生长 的那一层金属就成为了栅极，如果栅极加正电压，就会吸引电子从电极转移到石墨烯上面，而使石墨烯变成n型材料，反之则会使石墨烯变成p型材料。

其 次，如果将p型石墨烯和n型石墨烯放在一起，在交界面处就会产生奇特的性质，电子从一侧电极出发，遇到p-n交界面时，就会产生反射。如果交界面与入射电 子呈45°角，则反射后电子会改变方向。另外，电子穿越p-n交界面时会产生折射，并且其折射率为负数，这是很奇异的特性，原来只能通过人造材料来模拟负 折射率的特性，而石墨烯的负折射率却是天然形成的。

因此，控制栅极加电压的正负，可以改变交界面的特性，成为p-n，p-p，n-n或 n-p。而同型材料，例如p-p则不会使电子产生反射，而可以畅通无阻。通过该特性，结合栅极控制特性，可以形成二进制逻辑，或者其他诸如门电路或者多路 分配器等复杂逻辑。采用类似光的控制特性，与Si器件相比，在相同体积和功耗的限制下，可以实现更复杂的功能和更快的运算速度，达到石墨烯材料优异的特 性。

Photos: Ji Ung Lee, et al.

Gate test: Laboratory experiments have shown that graphene’s resistance to the flow of current varies, depending on how it is angled when placed atop a pair of gates. The results suggest that the fraction of electrons that pass through the gate interface changes with the angle, just like light. Click on the image to enlarge.

简单的二进制逻辑实现：如下图所示，一个方形的石墨烯材料，底部叠加的是两个分开的栅极，分别受不同的电压控制，从而形成n-p或 n-n的交界面，控制电子通过或不通过，形成导通或截止的特性。其导通和截止的电流可以相差1000-100000倍，这与CMOS开关的性能相当，比普 通石墨烯晶体管性能好1000倍，却比CMOS开关快57%。

Illustration: Bryan Christie Design

Refractive Logic: One way to make a simple binary graphene device is to divide a square gate beneath a graphene sheet into two triangles. Electrons are reflected if the gates have opposite voltage and pass through the device if the voltages are the same.

多路分配器结构：

Illustration: Bryan Christie Design

Multiple modes: A more complex gate scheme, containing three buried gates beneath a graphene sheet and three electrodes on top for input and output, can be used to support multiple logic functions.

聚焦和负折射率特性

Illustration: Bryan Christie Design

Focusing effect: Electrons moving in graphene can be focused and defocused at the interface between gates with opposite voltages.

类似于光纤的电子传输波导，电子在里面遇到石墨烯界面产生类似全反射的现象，在夹层中受引导传递。

Illustration: Bryan Christie Design

Total reflection: Electrons moving in graphene can be made to bounce back and forth in the electronic equivalent of an optical fiber, which can be built with fields generated by top and bottom gates.

要达到上述 石墨烯的特殊性质，需要解决的是石墨烯制造的纯度。现在也取得了较大的进展，例如将SiC加热增发，仅留下C，就形成了石墨烯。或者通过化学气相沉积的方 法制得更加纯净的石墨烯。IBM用该技术制造了第一个基于石墨烯的射频器件和放大器，晶圆大小达到了200mm。first graphene-based RF devices and amplifier circuits built on a 200-millimeter wafer。