無半導(dǎo)體的異質(zhì)接面電晶體可望取代硅

時間:2015-08-07

來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導(dǎo)語:過去幾年來,石墨烯已經(jīng)成為各種先進(jìn)研究的主題,但大部份的研究都著重于其零能隙特性進(jìn)一步調(diào)整或加以摻雜,期望使其作為傳統(tǒng)半導(dǎo)體的替代材料。

美國密西根理工大學(xué)(MichiganTech)透過結(jié)合石墨烯的高電子遷移率與氮化硼碳奈米管(BNNT)的絕緣層特性,期望開發(fā)出尺寸較矽(Si)更小且更具熱效能的無半導(dǎo)體(semiconductor-less)異質(zhì)接面電晶體,從而在國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)預(yù)期的2028年大限時接棒。

“我們對于這個研究主題的興趣在于打造完全不使用半導(dǎo)體的電子元件。盡管其他人正致于解決矽基電晶體的根本問題,我們則大膽地從探索不使用半導(dǎo)體的電路著手。由于石墨烯提供了高電子遷移率,將它應(yīng)用在數(shù)位交換器時,可帶來具有吸引力的研究里程碑,”密西根理工大學(xué)教授YokeKhinYap表示,“研究結(jié)果顯示在石墨烯上生長電子絕緣BNNT,可利用石墨烯帶來高效益的數(shù)位交換器。”

過去幾年來,石墨烯已經(jīng)成為各種先進(jìn)研究的主題,但大部份的研究都著重于其零能隙特性進(jìn)一步調(diào)整或加以摻雜,期望使其作為傳統(tǒng)半導(dǎo)體的替代材料。然而,密西根理工大學(xué)則保留石墨烯零能隙導(dǎo)體的特性,進(jìn)一步為其結(jié)合寬能隙的絕緣體BNNT,期望打造出一種矽晶無法超越的超高密度異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)。

密西根理工大學(xué)日前與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)共同發(fā)表具有金量子點(diǎn)(QD)的BNNT,使其一種像穿隧電晶體一樣電子可在量子點(diǎn)之間跳躍的元件;這篇名為“帶金量子點(diǎn)功能的BNNT室溫穿隧行為”(Room-TemperatureTunnelingBehaviorofBoronNitrideNanotubesFunctionalizedwithGoldQuantumDots)的報告已經(jīng)發(fā)表在《先進(jìn)材料》(AdvancedMaterials)期刊中。

研究人員在發(fā)現(xiàn)石墨烯具有相容于氮化硼的晶格結(jié)構(gòu)后,除去了在其介面上的電子散射,他們認(rèn)為可共同利用于創(chuàng)造出像電晶體般行為的異質(zhì)接面。

結(jié)合石墨烯(灰色)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與BNNT(粉紅和紫色),成為打造無半導(dǎo)體數(shù)位交換器的關(guān)鍵。

“我們最先發(fā)布于2013年《先進(jìn)材料》中的首項(xiàng)成果是基于金量子點(diǎn)之間的量子穿隧行為。量子點(diǎn)之間的實(shí)體間隙主要用于制作阻止電子流的潛在障礙(“關(guān)斷”狀態(tài)),”Yap說。“目前針對石墨烯-BNNT異質(zhì)接面的研究,由于半金屬石墨烯與寬能隙BNNT之間的狀態(tài)密度(DOS)不匹配,形成防止電流流經(jīng)接面(“關(guān)斷”狀態(tài))的穿隧阻障層。在充份施加電場后,彎曲能帶使量子穿隧跨越阻障層,從而開啟了開關(guān)。”

為了實(shí)現(xiàn)石墨烯/氮化硼異質(zhì)接面,研究團(tuán)隊(duì)在剝落的石墨烯單層蝕刻針孔,并從中生長BNNT——由于晶格匹配——使其分別形成電晶體般的異質(zhì)接面。在以掃瞄電子顯微鏡(SEM)即時監(jiān)測期間,室溫下以四探針掃瞄穿隧顯微鏡(STM)進(jìn)行特性化后,研究人員們發(fā)現(xiàn)僅開啟0.5V電壓時的交換率高達(dá)105。Yap認(rèn)為,新的特性是在利用密度泛函理論(DFT)模擬后由于DOS不匹配所致。

灰色石墨導(dǎo)電基底可生長絕緣的BNNT,從而形成無半導(dǎo)體電晶體的異質(zhì)接面。

接著,研究人員希望采用石墨烯的原子單層進(jìn)行研究,最終開發(fā)出像矽電晶體般的三端元件,但在關(guān)斷狀態(tài)期間需要更高速度以及缺少半導(dǎo)體泄漏電壓,因而大幅降低了功耗以及材料的作業(yè)溫度。

“我們的下一個里程碑是打造石墨烯-BNNT異質(zhì)接面與單層石墨烯薄層,”Yap說,“我們也正探索三端元件的設(shè)計,例如,利用一個環(huán)繞閘極的設(shè)計。”

從金量子點(diǎn)穿隧到BNNT的其他元件,密西根大學(xué)的研究人員制作出量子穿隧元件,可在室溫下表現(xiàn)得像電晶體一樣,而不必使用半導(dǎo)體材料。

據(jù)Yap,石墨烯本身速度太快了,只能作為導(dǎo)體應(yīng)用,而氮化硼能隙過大,無法實(shí)現(xiàn)絕緣體以外的其他應(yīng)用,但結(jié)合二者使用卻相得益彰,實(shí)現(xiàn)如電晶體般的異質(zhì)接面,不僅速度比矽更快,而且功耗還更低,在關(guān)斷時幾乎不耗電。

這項(xiàng)研究由美國能源署(DOE)、美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(U.S.ArmyResearchLaboratory)武器與材料局(WMRD)共同贊助,并在奈米材料科學(xué)中心(CNMS)與整合奈米技術(shù)中心(CINT)進(jìn)行研究。

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