中國(guó)粉體網(wǎng)訊 OFweek電子工程網(wǎng)訊 國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)持續(xù)尋找矽替代材料的行動(dòng)備受全球矚目，業(yè)界期望能找到一種能以2D實(shí)現(xiàn)超高速的理想導(dǎo)電材料。石墨烯及其衍生版本碳奈米管(CNT)一直是最被看好的熱門技術(shù)，但黑磷在光子學(xué)應(yīng)用上也已經(jīng)展現(xiàn)優(yōu)于石墨烯的性能。
最近，加拿大麥基爾大學(xué)(McGill University)與蒙特利爾大學(xué)(Universite de Montreal)的研究人員們宣稱，2D單層的黑磷——磷烯(phosphorene)，能夠展現(xiàn)優(yōu)于石墨烯以及矽的純粹電路電子特性。
2D導(dǎo)電材料的優(yōu)點(diǎn)在于能在室溫下實(shí)現(xiàn)趨近超導(dǎo)速度，加上極其適用于延伸ITRS開(kāi)發(fā)藍(lán)圖——未來(lái)將需要原子級(jí)單層延續(xù)摩爾定律(Moore‘s Law)進(jìn)展。遺憾的是，任何材料的原子單層都十分易碎，因而必須找到能夠沈積多層而且是2D形式的導(dǎo)電材料。
圖中的黑磷模型說(shuō)明其原子單層的“可折疊蜂巢式”內(nèi)部結(jié)構(gòu)
“我們的研究顯示可以誘導(dǎo)電子在多個(gè)2D形式的黑磷原子層中移動(dòng)，”麥基爾大學(xué)教授Thomas Szkopek解釋，“就純科學(xué)的理由來(lái)看，我們?nèi)匀徊恢离娮尤绾卧谟邢薜?D中移動(dòng)的細(xì)節(jié);而在技術(shù)方面，這是因?yàn)殡娮釉陔娮邮芟抻?D時(shí)所展現(xiàn)的功能更好�！�
在室溫下，磷烯的電子遷移率已經(jīng)被測(cè)定可達(dá)到矽(2700cm2??/Vs)的2倍，而在冷卻時(shí)(3900cm2/Vs)更高達(dá)將近3倍，預(yù)計(jì)在針對(duì)相容基板與電極最佳化后，還可達(dá)到更高的電子遷移率。其缺點(diǎn)是黑磷單層一直表現(xiàn)得不夠穩(wěn)定，除非能夠隔離于正常大氣環(huán)境的保護(hù)之中。不過(guò)，麥基爾大學(xué)的研究人員們認(rèn)為這并不算是太嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)樗麄円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)2D電子在黑磷中移動(dòng)時(shí)甚至可穿透多層導(dǎo)電材料。
“大家都知道黑磷的穩(wěn)定度不足，除非采取隔離于環(huán)境的預(yù)防保護(hù)措施。再者，黑磷單層越薄，就越不穩(wěn)定�！盨zkopek指出，“但根據(jù)我們的觀察，其實(shí)并不需要在黑磷單原子層看到2D的電子運(yùn)動(dòng)，這對(duì)于未來(lái)的黑磷元件開(kāi)發(fā)具有重要的實(shí)質(zhì)意義�！�
為了證明這個(gè)觀點(diǎn)，研究人員們將黑磷制造成量子阱場(chǎng)效應(yīng)電晶體(FET)裸晶，它能夠以超過(guò)100000的電流定值輕松地導(dǎo)通與斷開(kāi)。即使這種材料采用多層制造，研究人員們也能利用磁致傳輸測(cè)量展現(xiàn)2D載體。此外，研究人員們還預(yù)測(cè)這種磷烯FET能夠以極低電壓作業(yè)，實(shí)現(xiàn)低功耗作業(yè)。
麥基爾大學(xué)與蒙特利爾大學(xué)的研究人員們攜手打造出量子阱場(chǎng)效電晶體裸晶
未來(lái)，研究人員將以最佳的磷烯層數(shù)與最佳介電質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，期望能制造出磷烯FET與最佳金屬觸點(diǎn)。除了最佳化，研究人員們并計(jì)劃研究如何在晶圓廠中大規(guī)模制造這種材料的方法。
麥基爾大學(xué)教授Guillaume Gervais、蒙特利爾大學(xué)教授Richard Martel也參與了這項(xiàng)研究。該研究中的磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是在佛羅里達(dá)州的國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行;該實(shí)驗(yàn)室由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、佛羅里達(dá)州以及美國(guó)能源部(DoE)共同贊助支持。
最近，加拿大麥基爾大學(xué)(McGill University)與蒙特利爾大學(xué)(Universite de Montreal)的研究人員們宣稱，2D單層的黑磷——磷烯(phosphorene)，能夠展現(xiàn)優(yōu)于石墨烯以及矽的純粹電路電子特性。
2D導(dǎo)電材料的優(yōu)點(diǎn)在于能在室溫下實(shí)現(xiàn)趨近超導(dǎo)速度，加上極其適用于延伸ITRS開(kāi)發(fā)藍(lán)圖——未來(lái)將需要原子級(jí)單層延續(xù)摩爾定律(Moore‘s Law)進(jìn)展。遺憾的是，任何材料的原子單層都十分易碎，因而必須找到能夠沈積多層而且是2D形式的導(dǎo)電材料。
“我們的研究顯示可以誘導(dǎo)電子在多個(gè)2D形式的黑磷原子層中移動(dòng)，”麥基爾大學(xué)教授Thomas Szkopek解釋，“就純科學(xué)的理由來(lái)看，我們?nèi)匀徊恢离娮尤绾卧谟邢薜?D中移動(dòng)的細(xì)節(jié);而在技術(shù)方面，這是因?yàn)殡娮釉陔娮邮芟抻?D時(shí)所展現(xiàn)的功能更好�！�
在室溫下，磷烯的電子遷移率已經(jīng)被測(cè)定可達(dá)到矽(2700cm2??/Vs)的2倍，而在冷卻時(shí)(3900cm2/Vs)更高達(dá)將近3倍，預(yù)計(jì)在針對(duì)相容基板與電極最佳化后，還可達(dá)到更高的電子遷移率。其缺點(diǎn)是黑磷單層一直表現(xiàn)得不夠穩(wěn)定，除非能夠隔離于正常大氣環(huán)境的保護(hù)之中。不過(guò)，麥基爾大學(xué)的研究人員們認(rèn)為這并不算是太嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)樗麄円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)2D電子在黑磷中移動(dòng)時(shí)甚至可穿透多層導(dǎo)電材料。
“大家都知道黑磷的穩(wěn)定度不足，除非采取隔離于環(huán)境的預(yù)防保護(hù)措施。再者，黑磷單層越薄，就越不穩(wěn)定�！盨zkopek指出，“但根據(jù)我們的觀察，其實(shí)并不需要在黑磷單原子層看到2D的電子運(yùn)動(dòng)，這對(duì)于未來(lái)的黑磷元件開(kāi)發(fā)具有重要的實(shí)質(zhì)意義�！�
為了證明這個(gè)觀點(diǎn)，研究人員們將黑磷制造成量子阱場(chǎng)效應(yīng)電晶體(FET)裸晶，它能夠以超過(guò)100000的電流定值輕松地導(dǎo)通與斷開(kāi)。即使這種材料采用多層制造，研究人員們也能利用磁致傳輸測(cè)量展現(xiàn)2D載體。此外，研究人員們還預(yù)測(cè)這種磷烯FET能夠以極低電壓作業(yè)，實(shí)現(xiàn)低功耗作業(yè)。
未來(lái)，研究人員將以最佳的磷烯層數(shù)與最佳介電質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，期望能制造出磷烯FET與最佳金屬觸點(diǎn)。除了最佳化，研究人員們并計(jì)劃研究如何在晶圓廠中大規(guī)模制造這種材料的方法。
麥基爾大學(xué)教授Guillaume Gervais、蒙特利爾大學(xué)教授Richard Martel也參與了這項(xiàng)研究。該研究中的磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是在佛羅里達(dá)州的國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行;該實(shí)驗(yàn)室由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、佛羅里達(dá)州以及美國(guó)能源部(DoE)共同贊助支持。
