Графен: будущее полупроводников? Обзор материала, устройств и приложений

[et_pb_section fb_built=”1″ admin_label=”section” _builder_version=”4.16″ global_colors_info=”{}”][et_pb_row admin_label=”row” _builder_version=”4.16″ background_size=”начальный” background_position=”top_left” background_repeat=”repeat ” global_colors_info=”{}”][et_pb_column type=”4_4″ _builder_version=”4.16″ custom_padding=”|||” global_colors_info=”{}” custom_padding__hover=”|||”][et_pb_text admin_label=”Text” _builder_version=”4.16″ background_size=”начальный” background_position=”top_left” background_repeat=”repeat” global_colors_info=”{}”]

Графен: будущее полупроводников? Обзор материала, устройств и приложений

Яв Обенг и Пурушотаман Шринивасан

In этой статья, we попытка в суммировать   графен компонент серии симпозиумов ECS на тему «Графен, Ge/III-V, нанопроволоки и новые материалы для пост-CMOS Приложения»1. Хотя обзор и не является исчерпывающим и полным, докладов, представленных на этих симпозиумах, дает краткий
представление о состоянии исследований графена за последние несколько года.

 

История графена
Еще в 1947 г. было предсказано, что графен будет обладать экстраординарными электронными свойствами, если его удастся выделить.2,3 В течение многих лет графен (рис. 1) считался академическим материалом, который существовал только в теории и, как предполагалось, не существовал. самостоятельный материал из-за его нестабильной природы. А. Гейм, К. Новоселов и их сотрудники одними из первых успешно получили неуловимые отдельно стоящие графеновые пленки4, что стало выдающимся достижением. Таким образом, Нобелевская премия по физике 2010 года, присужденная Гейму и Новоселову за «новаторские эксперименты с двумерным материалом графеном», следует отметить как признание выдающейся изобретательности в экспериментальной физике.

Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) определяет графен как единый углеродный слой графитовой структуры, описывая его природу по аналогии с полициклическим ароматическим углеводородом квазибесконечного размера5. Таким образом, термин графен следует использовать только тогда, когда обсуждаются реакции, структурные отношения или другие свойства одного слоя. Ранее для термина графен использовались такие описания, как графитовые слои, углеродные слои или углеродные листы.

Гонка за изоляцией графена

Были предприняты длительные и настойчивые усилия по созданию отдельно стоящих графеновых пленок. Были изучены различные способы выделения графена. Одна из самых ранних задокументированных попыток выделения графена заключалась в расслаивании физическими или химическими методами. Например, графит впервые расслаивался в 1840 г., когда К. Шафхойтль пытался очистить «киш» от плавильни железа, обработав его смесью серной и азотной кислот.⁶ Оксид графита был впервые получен Броди в 1859 году путем обработки графита смесью хлората калия и дымящей азотной кислоты.^7,8 Бем и другие описали образование чрезвычайно тонких углеродных пластин, состоящих из нескольких углеродных слоев, как было измерено с помощью ПЭМ, либо «дефлаграцией оксида графита при нагревании, либо восстановлением оксида графита в щелочной суспензии».⁹ Утверждалось, что методы подготовки образцов для изготовления образцов ПЭМ привели к агломерации в остальном единого слоя графена в ламели, описанные Бёмом. и другие Ни в одной из этих ранних работ не были выделены или идентифицированы как таковые «отдельно стоящие» графеновые или оксидно-графеновые файлы.

Группа Гейма (рис. 2а) успешно изолировала графит атомарной толщины, используя клейкую ленту, чтобы снять слои с графитовых кристаллических чешуек, а затем осторожно потереть эти свежие слои о окисленную поверхность кремния. Они также смогли определить толщину этого слоя толщиной в несколько ангстрем с помощью АСМ. Их техника «скотч-ленты» очень напоминает использование клейкой ленты для обычного отделения слоистых кристаллов (или, графит, слюда и т. д.), удерживаемые силами Ван-дер-Ваальса, чтобы обнажить свежие поверхности.^10,11

В последнее десятилетие или около того группа из Технологического института Джорджии под руководством Уолтера де Хира использовала метод эпитаксиального роста для выделения графена (рис. 2b). Карбид кремния был выбран в качестве подложки, и группа продемонстрировала, что эпитаксиальный графен может быть получен путем термического разложения SiC, которому можно придать форму и стробировать.¹² Кроме того, они показали, что эпитаксиальный графен проявляет двумерные электронные свойства, а также эффекты квантового ограничения и квантовой когерентности. В то же время группа Филипа Кима из Колумбийского университета использовала АСМ для механического отделения слоев графена от графита. Им удалось выделить многослойную структуру, состоящую примерно из 2 слоев.¹³

 

Недавно команда Руоффа успешно изготовила графен, используя эпитаксиальный рост путем химического осаждения углеводородов из паровой фазы на металлические подложки. В данном случае в качестве металлической подложки использовалась Cu (рис. 2в).¹⁴ Преимущество этого метода заключается в том, что его можно легко распространить на большие площади, просто увеличив размер металлической подложки Cu и систему роста. В целом эпитаксиальный рост графена предлагает наиболее перспективный путь производства, и в настоящее время наблюдается быстрый прогресс в этом направлении. Точно так же группа Конга из Массачусетского технологического института также выращивала графен путем эпитаксии на металлических поверхностях, таких как Ni или Pt (рис. 2c).¹⁵ В этом методе эпитаксии на металле графеновая пленка переносится на подходящие рабочие подложки путем химического удаления первичной металлической подложки.

Свойства графена

Графен представляет собой плоский монослой sp² атомы углерода плотно упакованы в двумерную (2D) сотовую решетку, которая является основным строительным блоком для материалов на основе углерода (рис. 1). В 1947 году Уоллес использовал зонную теорию твердых тел с приближением сильной связи, чтобы объяснить многие физические свойства графита.³ В этой статье автор делает довольно ясновидящее предположение: «Поскольку шаг плоскостей решетки графита велик (3.37А) по сравнению с гексагональным шагом в слое 1.42А, то первое приближение в трактовке графита может быть получено пренебрегая взаимодействиями между плоскостями и предполагая, что проводимость имеет место только в слоях». Это предположение делает последующие анализы удобными для применения к материалу, который мы теперь знаем как графен.

Двумерная система графена интересна не только сама по себе; но это также позволяет получить доступ к тонкой и богатой физике квантовой электродинамики в лабораторном эксперименте. Новоселов и др..¹⁶ показали, что перенос электронов в графене в основном определяется уравнением Дирака (релятивистским). Носители заряда в графене имитируют релятивистские частицы с нулевой массой покоя и имеют эффективную скорость света c* ≈ 10⁶ cm^-1s^-1. Их исследование выявило множество необычных явлений, характерных для двумерных дираковских фермионов. В частности, они заметили, что проводимость графена никогда не падает ниже минимального значения, соответствующего квантовой единице проводимости, даже когда концентрации носителей заряда стремятся к нулю. Кроме того, целочисленный квантовый эффект Холла в графене аномален в том смысле, что он возникает при полуцелых коэффициентах заполнения, а циклотронная масса m_c безмассовых носителей в графене описывается выражением E = m_cc_*².

Одним из самых захватывающих аспектов физики, ставших возможным благодаря изоляции графена, является экспериментальная демонстрация так называемого парадокса Клейна — беспрепятственного проникновения релятивистских частиц через высокие и широкие потенциальные барьеры. Это явление обсуждается во многих контекстах в физике элементарных частиц, ядерной физике и астрофизике, но прямые проверки парадокса Клейна с использованием элементарных частиц до сих пор оказывались невозможными. Кацнельсон и другие показали, что эффект можно проверить в концептуально простом эксперименте с конденсированным веществом с использованием электростатических барьеров в однослойном и двухслойном графене.¹⁷ Благодаря киральной природе их квазичастиц квантовое туннелирование в этих материалах становится сильно анизотропным, качественно отличным от случая нормальных нерелятивистских электронов. Безмассовые фермионы Дирака в графене позволяют точно реализовать эксперимент Кляйна Gedanken, в то время как массивные киральные фермионы в двухслойном графене предлагают интересную дополнительную систему, которая проясняет основную физику.

Помимо этих примеров новой физики, графен продемонстрировал некоторые удивительные электронные свойства, как показано ниже.

Носители заряда в графене.- Электроны, распространяющиеся через сотовую решетку, полностью теряют свою эффективную массу, в результате чего образуются квазичастицы, называемые «фермионами Дирака», которые описываются уравнением типа Дирака, а не уравнением Шрёдингера, как показано на рис. 3а и 3б. Их можно рассматривать как электроны с нулевой массой m₀ или как нейтрино, приобретшие электронный заряд e. Двухслойный графен демонстрирует еще один тип квазичастиц, не имеющих аналогов. Это массивные фермионы Дирака, описываемые комбинацией уравнений Дирака и Шрёдингера.

Зонная структура графена.— Графен — полуметалл и полупроводник с нулевой запрещенной зоной (рис. 4а). Кроме того, электронная зонная структура двухслойного графена значительно изменяется за счет эффекта электрического поля, а полупроводниковая щель ΔE может плавно регулироваться от нуля до ≈0.3 эВ, если SiO₂ используется как диэлектрик. Недавнее исследование IBM предоставило доказательства того, что ширина запрещенной зоны была настроена на величину порядка 0.13 эВ с использованием структуры, показанной на рис. 4b.

Теплопроводность и подвижность.— Графен — это двумерный материал, в котором рассеивание фононов незначительно или отсутствует. В общем случае низкоэнергетические фононы в системе участвуют в передаче тепла; следовательно, он обеспечивает более высокую теплопроводность. Графен проявляет эффект амбиполярного электрического поля (рис. 2а), так что носители заряда могут непрерывно настраиваться между электронами и дырками с концентрацией до 5¹³ cm^-2 (рис. 5б), а их подвижности μ превышают 15,000 XNUMX см² V^-1 s^-1 даже в условиях окружающей среды. Наблюдаемые подвижности слабо зависят от температуры Т, а значит, μ при 300 К все же ограничено примесным рассеянием, а потому может быть значительно улучшено, возможно, даже до ≈100,000 XNUMX см² V^-1 s^-1. В графене μ остается высоким даже при высоком n (>10¹² cm^-2) как в электрически, так и в химически легированных устройствах, что приводит к баллистическому переносу в субмикрометровом масштабе (в настоящее время до ≈0.3 мкм при 300 К).

Еще одним свидетельством исключительного электронного качества системы является квантовый эффект Холла (КЭХ), который можно наблюдать (рис. 5с) в графене даже при комнатной температуре, что расширяет предыдущий температурный диапазон для КЭХ в 10 раз. Применение графена

Необычные свойства графена, описанные в предыдущем разделе, в сочетании с его (i) высокой оптической прозрачностью, (ii) химической инертностью и (iii) низкой стоимостью делают его пригодным для промышленного применения из рога изобилия. Перечень приложений, использующих определенные свойства графена, подробно описан ниже.

• Высокая подвижность даже при самых высоких концентрациях, вызванных электронным полем, заставляет носители становиться баллистическими, что приводит к созданию баллистического устройства на полевых транзисторах при температуре 300 К.
• Благодаря своей электронной симметрии и линейной дисперсии он подходит для радиочастотных и высокочастотных приложений, таких как детекторы терагерцового диапазона и лазеры.
• Он также находит применение в химических датчиках и приложениях на основе МЭМС.
• Другой путь к электронике на основе графена — рассматривать графен как проводящий лист, а не как канальный материал, который можно использовать для изготовления одноэлектронного транзистора (SET).
• Сверхпроводящие полевые транзисторы и спинтроника при комнатной температуре
• Прозрачные электроды

Одним из коммерчески жизнеспособных устройств на основе графена является RF-FET, поскольку его свойства хорошо подходят для приложений с низким энергопотреблением и высокой скоростью. IBM продемонстрировала успешное изготовление RF-FET на 2-дюймовых пластинах с использованием SiC в качестве подложки.¹⁸ Они получили превосходные электрические характеристики, когда устройство само по себе обеспечивало лучшую подвижность Холла и более высокий I._D и г_m. Кроме того, они получили f_t максимальная частота 170 ГГц при длине затвора 90 нм (рис. 6а). Samsung также получил хорошие характеристики для радиочастотного устройства на 6-дюймовых пластинах.¹⁹ с коэффициентом усиления по току, близким к 200 ГГц при 0.24 мкм (рис. 6б).

 

Хотя в обоих случаях в качестве диэлектрика затвора использовался материал с высоким коэффициентом k, h-BN кажется лучшим выбором, поскольку его материал

свойствами²⁰ близки к графену (рис. 6в). Структура представляет собой изолирующий изоморф графита, что повышает подвижность графенового устройства. Однако основной проблемой, ограничивающей работу этих устройств, является низкое контактное сопротивление; значения контактного сопротивления в настоящее время составляют порядка килоом.

Еще одно потенциальное применение графена в ближайшем будущем — прозрачный сенсорный экран, продемонстрированный Samsung.²¹ С помощью ролика графен, выращенный методом CVD, переносится путем прижимания к клейкой полимерной основе, после чего медь вытравливается, оставляя графеновую пленку прикрепленной к полимеру. Затем графен можно прижать к окончательной подложке, такой как полиэтилентерефталат (ПЭТ), снова с помощью роликов и полимерного клея, выделяющегося при нагревании. Последующие слои графена могут быть добавлены аналогичным образом, создавая большую графеновую пленку. Графен был легирован путем обработки азотной кислотой для получения большого прозрачного электрода, который, как было продемонстрировано, работает в устройствах с сенсорным экраном (рис. 7). Этот графеновый электрод потенциально может заменить традиционные прозрачные электроды, используемые в таких приложениях, которые в настоящее время изготавливаются из прозрачных проводящих оксидов, таких как ITO. Однако графеновый электрод имеет лучшую прозрачность и более жесткий. Оксидные материалы, такие как ITO, обычно хрупкие и слабые, что приводит к ограниченному сроку службы; с другой стороны, экраны на основе графена должны иметь длительный срок службы.

Об авторах

Яу Обенг имеет более чем 20-летний опыт технического лидерства в корпоративной, предпринимательской и академической среде. В настоящее время он работает старшим научным сотрудником Управления программ микроэлектроники Национального института стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсберге, штат Мэриленд.

Ранее он работал с AT&T/Lucent Technologies/Agere Systems, Bell Laboratories и Texas Instruments. Он также стал соучредителем двух новых компаний (psiloQuest, Inc. и Nkanea Technologies, Inc.), занимающихся разработкой новых материалов для производства полупроводников и оптоэлектроники. Он является изобретателем более 50 американских и международных патентов и опубликовал более 100 статей в различных технических изданиях. Д-р Обенг занимает должности адъюнкт-профессора в Университете Клемсона и Университете Центральной Флориды в Орландо, где он консультировал нескольких аспирантов. Он является членом Американского института химиков. До него можно добраться в [электронная почта защищена].

Пурушотаман Шринивасан в настоящее время является членом технического персонала Texas Instruments, Даллас. Он принимал участие в исследованиях и разработках передовых КМОП-устройств для приложений с низким энергопотреблением с упором на 1/f-шум. Его текущая деятельность включает организацию симпозиумов по графену в ECS. Он также является членом исполнительного комитета и председателем отдела диэлектрических наук и технологий в ECS. Он также является членом технического консультативного совета SRC и посредником в различных проектах. До прихода в TI он получил степень доктора философии в IMEC, Leuven и NJIT в 2007 году. Лето 2006 года он провел в качестве исследователя в IBM TJ Watson Research Center, Yorktown Heights, NY. Он получил премию Хашимото за лучшую докторскую диссертацию в 2007 году. Он является старшим членом IEEE, редактировал 2 книги, является автором и соавтором более 50 международных публикаций, имеет 3 патента, а также является рецензентом не менее 6 журналы, в том числе Журнал Электрохимического общества. До него можно добраться в псринивасан@ ти. ком.

Источник: spr11_p047-052.pdf

[/ Et_pb_text] [/ et_pb_column] [/ et_pb_row] [/ et_pb_section]