Первый полупроводник из графена

Монослой атомов углерода, графен, делают стабильным самые прочные из известных химических связей. Он выдерживает большие электрические токи, не нагреваясь и не разрушаясь, что интересно для электроники.

Однако есть проблема — графен не принадлежит к полупроводникам, которые составляют основу современной электроники. Структура энергетических зон носителей заряда в нем такова, что у них нет запрещенной зоны, свойственной полупроводникам.

В начале века перед учеными встала задача превратить графен в полупроводник. Особенно это важно сегодня, когда кремний, из которого изготавливают почти всю современную электронику, достиг своих пределов по быстродействию и миниатюризации.

До сих пор очевидного успеха достичь не удавалось, но недавно группа физиков из Технологического института Джорджии вместе с китайскими коллегами создала наконец первый в мире графеновый полупроводник, совместимый с традиционными технологиями кремниевой микроэлектроники.

Для руководителя группы, профессора физики Уолта де Хира (Walt A. de Heer) это достижение стало плодом двух десятилетий работы. Причем в последнее десятилетие ученые работали над совершенствованием материала для практических применений.

Физики смогли образовать запрещенную зону в графене. Основой достижения стал тот факт, что при испарении кремния с поверхности кристаллов SiC их поверхность кристаллизуется в многослойный графен. Первым на грани карбида появляется частично ковалентно связанный с ним слой эпитаксиального графена, параметр решетки которого согласован с кристаллом. Исследователи смогли получить моноатомный слой полупроводникового графена на макроскопических атомарно плоских гранях карбида кремния. Этого добились в специальных печах с помощью температурной модификации кристаллов в режиме квазиравновесного отжига.

Измерения показали, что эпиграфен на карбидной подложке имеет ширину запрещенной энергетической зоны в 0,6 Эв. Полученный полупроводник обладает в 10 раз большей подвижностью электронов, чем кремний, и в 20 раз большей, чем другие двумерные полупроводники. Это значит, что электроны в нем движутся с очень низким сопротивлением, повышающим быстродействие электроники.

Решетка эпиграфена прочная — и химически, и механически, и термически. Стандартными технологиями монослой эпиграфена можно сформировать в электрически связанные между собой островки, что необходимо для создания на нем электронных приборов. Пока это единственный двумерный полупроводник, обладающий всеми нужными для производства микроэлектроники свойствами.

Профессор де Хир надеется, что его эпитаксиальный графен станет основой совершенно новых технологий микроэлектроники. Материал не только дает возможность получить компактные и быстрые устройства, но и позволяет использовать квантово-механические волновые свойства электронов, которые необходимы для квантовых вычислений. Исследование опубликовано в журнале Nature.