Рождение первого функционального полупроводника на основе графена

Исследователи разработали первый функциональный полупроводник на основе «эпитаксиального» графена — монослоя графена, спонтанно образующегося на поверхности кристаллического карбида кремния. В частности, новый материал позволил преодолеть основное ограничение, присущее материалам на основе графена: отсутствие «запрещённой зоны». В результате его можно будет использовать для производства небольших высокопроизводительных электронных устройств или компонентов, пригодных для квантовых вычислений.

Хотя кремний позволил добиться значительных успехов в создании электронных устройств, сегодня он имеет существенные ограничения, учитывая текущие и будущие потребности вычислительной техники и электроники. В частности, вычислительные устройства требуют все более высоких скоростей обработки данных для все более мелких устройств. Учитывая их потенциал, материалы на основе графена уже несколько лет исследуются с целью заменить кремний.

Однако до сих пор ни одна технология на основе графена не обеспечила работу электроники, которая была бы достаточно стабильной и надежной, чтобы соответствовать требованиям современных электронных устройств. Это связано с тем, что графен — полуметалл, то есть он не является ни полупроводником, ни металлом. Это означает, что, в отличие от кремния, у него нет «запрещённой зоны» — свойства, которое позволяет полупроводникам включаться и выключаться по требованию, когда к ним прикладывается электрическое поле. Точнее, у полупроводников есть запрещённая зона, которую электроны могут пересечь, если им придать необходимую энергию.

Для преодоления этой проблемы предпринимались попытки химически изменить структуру графена, чтобы создать жизнеспособные полупроводники, но они не увенчались заметным успехом.

Новый материал, разработанный исследователями из Тяньцзиньского университета (Китай) и Технологического института Джорджии (США), станет первым материалом, который действительно преодолеет ограничение, связанное с отсутствием запрещенной зоны. «На протяжении многих лет многие пытались решить эту проблему, используя различные методы. Наша технология достигает ширины запрещенной зоны и представляет собой важнейший шаг в реализации электроники на основе графена«, — говорит Лэй Ма из Тяньцзиньского университета, соруководитель исследования.

Исследование, подробно описанное в журнале Nature, посвящено двумерному графену, который, как считается, обладает большим потенциалом в плане полупроводниковой способности, чем более сложные структуры. «Это чрезвычайно прочный материал, способный выдерживать очень большие токи, не нагреваясь и не разрушаясь«, — объясняет Уолт А. де Хеер из Технологического института Джорджии, который также является соруководителем исследования.

В новом исследовании ученые выдвинули гипотезу о том, что эпитаксиальный графен, или эпиграфен, является лучшим полупроводником, чем простой графен. Это тип структуры, в которой графен спонтанно образует единый слой поверх кристаллов карбида кремния, когда последние подвергаются воздействию высоких температур. Для этого в специальной индукционной печи были созданы кремний-углеродные связи, образующие решетчатую поверхность. Команда обнаружила, что когда связи были созданы правильно, полученная структура демонстрировала отличные полупроводниковые свойства.

Однако для того, чтобы определить, можно ли использовать их в качестве функциональных транзисторов, полупроводниковыми материалами нужно манипулировать таким образом, чтобы не изменить их свойства. Чтобы оценить характеристики материала, исследователи ввели в него атомы, чтобы снабдить систему электронами (этот процесс известен как легирование). Это позволило оценить его проводимость, не повреждая и не изменяя его свойств.

Проведя оценку, «мы показали, что графен, отожженный на определенной поверхности кристаллического карбида кремния, является двумерным полупроводником с чрезвычайно высокой подвижностью«, — пишут исследователи в своей статье.

Подвижность — это скорость, с которой электроны перемещаются в материале. Эпиграфен, разработанный командой, обладает подвижностью в 10 раз большей, чем у кремния. Это означает, что электроны движутся через него с очень низким удельным сопротивлением, что в вычислительной технике может привести к увеличению скорости вычислений. «Он более эффективен, меньше нагревается и обеспечивает более высокую скорость, так что электроны могут двигаться быстрее«, — говорит де Хеер. «Это все равно что ехать по автостраде, а не по гравию, если провести аналогию«.

Полученные результаты позволяют утверждать, что новый материал на сегодняшний день является единственным двумерным графеновым полупроводником, обладающим всеми свойствами, необходимыми для применения в наноэлектронике. Более того, его электронные свойства явно превосходят свойства других двумерных полупроводников того же типа. Это также говорит о смене парадигмы в области электроники, что потенциально может привести к появлению новых технологий с уникальными характеристиками. По мнению Хеера, графеновые технологии, как и кремниевые, вскоре могут стать важной вехой в истории электроники.