無(wú)半導(dǎo)體的異質(zhì)接面電晶體可望取代硅

 “我們對(duì)于這個(gè)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(wèn)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(shí)，可帶來(lái)具有吸引力的研究里程碑，”密西根理工大學(xué)教授Yoke Khin Yap表示，“研究結(jié)果顯示在石墨烯上生長(zhǎng)電子絕緣BNNT，可利用石墨烯帶來(lái)高效益的數(shù)位交換器。”

過(guò)去幾年來(lái)，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(wú)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(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)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-Temperature Tunneling Behavior of Boron Nitride Nanotubes Functionalized with Gold Quantum Dots)的報(bào)告已經(jīng)發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)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(wú)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(shuō)。“目前針對(duì)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(chǎng)后，彎曲能帶使量子穿隧跨越阻障層，從而開(kāi)啟了開(kāi)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(zhǎng)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(shí)監(jiān)測(cè)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(kāi)啟0.5V電壓時(shí)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(zhǎng)絕緣的BNNT，從而形成無(wú)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(kāi)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(gè)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(shuō)，“我們也正探索三端元件的設(shè)計(jì)，例如，利用一個(gè)環(huán)繞閘極的設(shè)計(jì)。”

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(guò)大，無(wú)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(shí)幾乎不耗電。

這項(xiàng)研究由美國(guó)能源署(DOE)、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(U.S. Army Research Laboratory)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。