不过近期有不少竞争对手正在奋起直追IBM。比如韩国三星技术研究所(Samsung Advanced Institute of Technology,SAIT)。SAIT在IEDM 2010上发布了截止频率为202GHz(栅长为180nm),直逼IBM公司的石墨烯FET。另外,日本产业技术综合研究所、富士通研究所、NTT物性科学基础研究所和美国波音公司(Boing)与美国通用公司的共同研究机构美国休斯研究所(HRL Laboratories, LLC)等众多研究机构和企业也都纷纷加入了开发竞争的行列。
2年时间性能提高10倍
实际上,目前***快的石墨烯晶体管既不是出自IBM公司、也不是出自三星公司,而是美国加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles,简称UCLA)制作的晶体管。UCLA曾于IEDM 2010之前的2010年9月在学术杂志《Nature》上发表了截止频率为300GHz(栅长为144nm)的石墨烯FET。300GHz的截止频率可以与采用GaAs和InP等化合物半导体的晶体管相匹敌。
不过,UCLA的石墨烯FET所采用的元件构造和材料略显独特,例如栅电极材料采用以Al2O3涂覆的Co2Si纳米线。
无论是哪个公司进行开发,惹人注目的是开发速度都非常快。比如,IBM公司栅长150nm、截止频率为26GHz的石墨烯FET是在2008年12月的IEDM上发布的。从那时起还不到两年时间,截止频率提高了10倍左右。如果继续这样发展下去,到2011年中期采用化合物半导体的晶体管的截止频率可能会超过600GHz,到2011年12月,截止频率可能会提高到1THz。
以THz频率工作的晶体管连接电和光
各公司为何纷纷倾向于利用石墨烯的高速晶体管开发呢?其原因之一在于如果开发出以THz频率工作的晶体管,能够使迄今在技术方面有很大不同的电子和光子、也是电和光的控制技术实现无缝连接。
近期,NEC等开发出了通过名为太赫兹波的波长为0.1mm左右的电磁波制作图像传感器等的技术。虽然在这种情况下电磁波频率为3THz,但目前还未开发出能够以该频率工作的晶体管,因此大多应用于“光学方面”,******地说是红外线收发技术方面。不过,由于作为受光元件使用的辐射热测量计 (Bolometer)的响应时间长达10μs,因此不能应用于“太赫兹波通信”用途。
要充分利用太赫兹波所具有的潜力和信息量,需要能像手机电子电路一样在THz频率下工作的光收发元件、控制电路和信号处理电路。反之,如果能够实现这个条件,超过毫米波通信的几十G~几百Gbit/秒的超高速通信便成为可能。
积极进行这一方面开发的研究机构之一是美国国防部研究计划局(DARPA)。DARPA在名为“Carbon Electronics for RF Applications(CERA)”的项目中,提出了到2013年实现以500GHz频率工作的石墨烯FET的实用化的目标。要使工作频率达到 500GHz,一般情况下截止频率需要达到其3倍、也是1.5THz,不过从迄今石墨烯FET呈现出的高速发展态势来看,实现可能性非常大。
应用于光学元件非常容易?
除高速晶体管外,石墨烯作为光学方面的技术也具有很大的应用前景。具体来说,如果活性层材料采用石墨烯,包括紫外线、可见光、红外线和太赫兹波在内带宽非常大的波长的激光振荡便越来越可能。虽然此处主要探讨的是作为光学方面技术的应用,不过也有研究人员断言“虽然在石墨烯晶体管用途方面还存在一些课题,但作为光学元件来说几乎不存在什么课题”(日本东北大学电气通信研究所尾辻泰一教授)。
在这一领域目前也有非常多的研究机构在积极推进开发。其中日本东北大学、英国剑桥大学和新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University)等目前在研发方面处于******地位。
除晶体管之外,如果发光元件等也能用石墨烯制作,材料本身无需再使用高价化合物半导体,同时还可大幅降低整个元件的成本。