Народження першого функціонального напівпровідника з урахуванням графену
Дослідники розробили перший функціональний напівпровідник на основі “епітаксійного” графену — моношару графену, що спонтанно утворюється на поверхні кристалічного карбіду кремнію. Зокрема новий матеріал дозволив подолати основне обмеження, властиве матеріалам на основі графену: відсутність “забороненої зони”. В результаті його можна використовувати для виробництва невеликих високопродуктивних електронних пристроїв або компонентів, придатних для квантових обчислень.
Хоча кремній дозволив досягти значних успіхів у створенні електронних пристроїв, сьогодні він має суттєві обмеження, враховуючи поточні та майбутні потреби обчислювальної техніки та електроніки. Зокрема, обчислювальні пристрої вимагають все більш високих швидкостей обробки даних для дрібніших пристроїв. Враховуючи їхній потенціал, матеріали на основі графену вже кілька років досліджуються з метою замінити кремній.
Однак досі жодна технологія на основі графену не забезпечила роботу електроніки, яка була б достатньо стабільною та надійною, щоб відповідати вимогам сучасних електронних пристроїв. Це з тим, що графен — напівметал, тобто не є ні напівпровідником, ні металом. Це означає, що, на відміну від кремнію, він не має “забороненої зони” – властивості, що дозволяє напівпровідникам включатися і вимикатися на вимогу, коли до них прикладається електричне поле. Точніше, напівпровідники мають заборонену зону, яку електрони можуть перетнути, якщо їм надати необхідну енергію.
Для подолання цієї проблеми робилися спроби хімічно змінити структуру графену, щоб створити життєздатні напівпровідники, але вони не мали помітного успіху.
Новий матеріал, розроблений дослідниками з Тяньцзіньського університету (Китай) та Технологічного інституту Джорджії (США), стане першим матеріалом, який справді подолає обмеження, пов’язане із відсутністю забороненої зони. “Протягом багатьох років багато хто намагався вирішити цю проблему, використовуючи різні методи. Наша технологія досягає ширини забороненої зони і є найважливішим кроком у реалізації електроніки на основі графену, — говорить Лей Ма з Тяньцзіньського університету, керівник дослідження.
Дослідження, докладно описане в журналі Nature, присвячене двовимірному графену, який, як вважається, має більший потенціал у плані напівпровідникової здатності, ніж складніші структури. “Це надзвичайно міцний матеріал, здатний витримувати дуже великі струми, не нагріваючись і не руйнуючись”, — пояснює Уолт А. де Хеєр із Технологічного інституту Джорджії, який також є керівником дослідження.
Молекулярні моделі епітаксійного графену. © Технологічний інститут Джорджії
У новому дослідженні вчені висунули гіпотезу про те, що епітаксійний графен, або епіграфен, є кращим напівпровідником, ніж простий графен. Це тип структури, у якій графен спонтанно утворює єдиний шар поверх кристалів карбіду кремнію, коли останні піддаються впливу високих температур. Для цього у спеціальній індукційній печі було створено кремній-вуглецеві зв’язки, що утворюють гратчасту поверхню. Команда виявила, що коли зв’язки створили правильно, отримана структура демонструвала відмінні напівпровідникові властивості.
Однак для того, щоб визначити, чи можна використовувати їх як функціональні транзистори, напівпровідниковими матеріалами потрібно маніпулювати таким чином, щоб не змінити їх властивості. Щоб оцінити характеристики матеріалу, дослідники ввели до нього атоми, щоб забезпечити систему електронами (цей процес відомий як легування). Це дозволило оцінити його провідність, не ушкоджуючи та не змінюючи його властивостей.
Провівши оцінку, “ми показали, що графен, відпалений на певній поверхні кристалічного карбіду кремнію, є двовимірним напівпровідником із надзвичайно високою рухливістю”, — пишуть дослідники у своїй статті.
Рухливість — – це швидкість, з якою електрони переміщаються в матеріалі. Епіграфен, розроблений командою, має рухливість у 10 разів більшу, ніж у кремнію. Це означає, що електрони рухаються через нього з дуже низьким питомим опором, що обчислювальної техніки може призвести до збільшення швидкості обчислень. “Він ефективніший, менше нагрівається і забезпечує більш високу швидкість, так що електрони можуть рухатися швидше”, — говорить де Хеєр. “Це все одно що їхати автострадою, а не гравієм, якщо провести аналогію”.
Графеновий пристрій створений командою на чіпі підкладки з карбіду кремнію. © Технологічний інститут Джорджії
Отримані результати дозволяють стверджувати, що новий матеріал на сьогоднішній день є єдиним двовимірним графеновим напівпровідником, який має всі властивості, необхідні для застосування в наноелектроніці. Понад те, його електронні властивості явно перевершують властивості інших двовимірних напівпровідників тієї самої типу. Це також говорить про зміну парадигми в галузі електроніки, що потенційно може призвести до появи нових технологій із унікальними характеристиками. На думку Хеєра, графенові технології, як і кремнієві, можуть стати важливою віхою в історії електроніки.