2013年將實現以500GHz頻率工作的高速石墨烯電晶體和光學元件

在通道層採用石墨烯的高速電晶體開發方面最積極的企業之一是美國IBM公司。該公司曾于2008年開發出了第一個石墨烯電晶體，並在2010年12月的國際學會「IEDM 2010」上發佈了柵長240nm、截止頻率為230GHz的石墨烯FET等，在相關研發活動中一直位於領先地位（參閱本站報導）。

　　不過，最近有不少競爭對手正在奮起直追IBM。比如南韓三星尖端技術研究所（Samsung Advanced Institute of Technology，SAIT）。SAIT在IEDM 2010上發佈了截止頻率為202GHz（柵長為180nm），直逼IBM公司的石墨烯FET。另外，日本產業技術綜合研究所、富士通研究所、NTT物性科學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也都紛紛加入了開發競爭的行列。

2年時間性能提高10倍

　　實際上，目前最快的石墨烯電晶體既不是出自IBM公司、也不是出自三星公司，而是美國加州大學洛杉磯分校（University of California, Los Angeles，簡稱UCLA）製作的電晶體。UCLA曾于IEDM 2010之前的2010年9月在學術雜誌《Nature》上發表了截止頻率為300GHz（柵長為144nm）的石墨烯FET（英文發佈資料）。300GHz的截止頻率可以與採用GaAs和InP等化合物半導體的電晶體相匹敵。

　　不過，UCLA的石墨烯FET所採用的元件構造和材料略顯獨特，例如柵電極材料採用以Al₂O₃塗覆的Co₂Si奈米線。

　　無論是哪個公司進行開發，惹人注目的是開發速度都非常快。比如，IBM公司柵長150nm、截止頻率為26GHz的石墨烯FET是在2008年12月的IEDM上發佈的。從那時起還不到兩年時間，截止頻率就提高了10倍左右。如果繼續這樣發展下去，到2011年中期採用化合物半導體的電晶體的最快截止頻率可能會超過600GHz，到2011年12月，截止頻率可能會提高到1THz。

以THz頻率工作的電晶體連接電和光

各公司為何紛紛致力於利用石墨烯的高速電晶體開發呢？其原因之一在於如果開發出以THz頻率工作的電晶體，就能夠使迄今在技術方面有很大不同的電子和光子、也就是電和光的控制技術實現無縫連接。

　　最近，NEC等開發出了通過名為兆赫波的波長為0.1mm左右的電磁波製作圖像感測器等的技術。雖然在這種情況下電磁波頻率為3THz，但目前還未開發出能夠以該頻率工作的電晶體，因此大多應用於「光學方面」，準確地說就是紅外線收發技術方面。不過，由於作為受光元件使用的輻射熱測量計(Bolometer)的響應時間長達10μs，因此不能應用於「兆赫波通信」用途。

　　要充分利用兆赫波所具有的潛力和資訊量，就需要能像手機電子電路一樣在THz頻率下工作的光收發元件、控制電路和信號處理電路。反之，如果能夠實現這個條件，超過毫米波通信的幾十G～幾百Gbit/秒的超高速通信便成為可能。

　　積極進行這一方面開發的研究機構之一是美國國防部高級研究計劃局（DARPA）。DARPA在名為「Carbon Electronics for RF Applications（CERA）」的項目中，提出了到2013年實現以500GHz頻率工作的石墨烯FET的實用化的目標。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、也就是1.5THz，不過從迄今石墨烯FET呈現出的高速發展態勢來看，實現可能性非常大。

應用於光學元件非常容易？

　　除高速電晶體外，石墨烯作為光學方面的技術也具有很大的應用前景。具體來說，如果活性層材料採用石墨烯，包括紫外線、可見光、紅外線和兆赫波在內頻寬非常大的波長的鐳射振盪便越來越可能。雖然此處主要探討的是作為光學方面技術的應用，不過也有研究人員斷言「雖然在石墨烯電晶體用途方面還存在一些課題，但作為光學元件來說幾乎不存在什麼課題」（日本東北大學電氣通信研究所尾辻泰一教授）。

　　在這一領域目前也有非常多的研究機構在積極推進開發。其中日本東北大學、英國康橋大學和新加坡南洋理工大學(Nanyang Technological University)等目前在研發方面處於領先地位。

　　除電晶體之外，如果發光元件等也能用石墨烯製作，材料本身就無需再使用高價化合物半導體，同時還可大幅降低整個元件的成本。（記者：野澤 哲生）