グラフェンベースの半導体は有用なバンドギャップと高い電子移動度を備えています – Physics World

中国と米国の研究者らは、グラフェンから作られた機能性半導体を開発したが、これは初の偉業であると彼らは述べている。既存の製造技術を拡張することで、 ウォルター・デ・ヒアー 天津大学とジョージア工科大学の同僚らは、グラフェンの堅牢で容易に調整可能な特性を維持しながら、2D 材料にバンドギャップを開発しました。

シリコンは現代の半導体エレクトロニクスの根幹です。しかし、最新のシリコンベースのテクノロジーは、より高いコンピューティング速度、より低い消費電力、よりコンパクトなデバイスに対する絶え間ない要求により、限界まで拡張されています。

研究者たちはこれまで 2004 年にわたり、グラフェンがシリコンの実用的な代替品となる可能性を探求してきました。 XNUMX 年に初めて単離されたグラフェンは、原子 XNUMX 個の厚さしかない炭素のシートです。それ以来、研究者たちはグラフェンが電子デバイスに非常に役立つ可能性のある多くの特性を持っていることを発見しました。これらには、高い電子移動度が含まれます。強力、軽量、非常にコンパクトな構造。そして優れた放熱性。

大きな欠点が 1 つあります

ただし、グラフェンには大きな欠点が 1 つあります。従来の半導体とは異なり、グラフェンには固有の電子バンドギャップがありません。これは、電子が電気を通すために乗り越えなければならないエネルギー障壁です。バンドギャップのおかげで電子スイッチ (トランジスタ) を半導体から作ることができます。

「グラフェンエレクトロニクスにおける長年の問題は、グラフェンが適切なバンドギャップを持たず、正しい比率でオンとオフを切り替えることができないことです」と、共著者であり、 天津国際ナノ粒子・ナノシステムセンター デ・ヒアと。 「長年にわたり、多くの人がさまざまな方法でこの問題に対処しようと試みてきました。」

これまでの研究では、量子閉じ込めや純粋なグラフェンの化学修飾などの技術を使用して、適切なバンドギャップを設計することが試みられてきました。しかし、これまでのところ、これらのアプローチはほとんど成功していません。

「私たちは[グラフェン]の扱い方、グラフェンをより良くする方法、そして最終的にはその特性を測定する方法を学ばなければなりませんでした」とデ・ヒアー氏は説明します。 「とてもとても長い時間がかかりました。」

自発的な成長

研究者らは最新の研究で、バンドギャップ半導体「エピグラフェン」がどのようにして炭化ケイ素結晶の表面に自発的に成長するのかを初めて明らかにした。

これまでの研究では、高温ではシリコンがこれらの結晶の表面から昇華し、炭素が豊富な層が残ることが明らかになっていました。これらの層は再結晶化して多層エピグラフェンになりますが、半導体特性は限られています。

この技術を拡張して、デ・ヒーア氏とマー氏のチームは、サンプル温度とエピグラフェンの形成速度を注意深く制御する新しいアニーリング方法を開発しました。彼らは、巨視的で原子的に平坦なテラスで成長する堅牢なグラフェン層を作成しました。さらに、グラフェン原子は炭化ケイ素基板の格子に沿って整列します。

有用なバンドギャップ

研究チームは注意深く測定を行うことで、この層が優れた 2D 半導体であることを示しました。これは、何十年も研究者が発見できなかった有用なバンドギャップと、高い電子移動度を備えています。

グラフェンリボンがツイストロニクスを進歩させる

「私たちは現在、シリコンの10倍の移動度を持ち、シリコンでは得られないユニークな特性も備えた非常に堅牢なグラフェン半導体を手に入れました。」とデ・ヒーア氏は熱望します。彼はシリコン内の電子の移動度を砂利道での運転に例えていますが、エピグラフェンは電子の高速道路のようなものです。 「より効率的で、それほど熱は発生せず、より高速な電子が移動できるようになるのです」とデ・ヒーア氏は説明します。

この性能に加えて、研究チームはエピグラフェンに幅広い原子や分子をドープして電子的および磁気的特性を微調整できることも示しました。この材料は、その性能をさらに高めるためにナノパターン化することもできます。ナノパターン化は、他の基板上に成長したグラフェンでは非常に困難です。

デ・ヒーア氏、マー氏らは、自分たちの技術が半導体製造への全く新しいアプローチへの道を切り開くことができ、最終的には新世代のグラフェンベースのエレクトロニクスに向けた重要な第一歩となるかもしれないと期待している。

研究はで説明されています 自然.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/graphene-based-semiconductor-has-a-useful-bandgap-and-high-electron-mobility/