人造石墨烯在电子器件领域取得重大进步

现在,哥伦比亚大学的一组研究人员与普林斯顿大学、普渡大学、意大利理工学院的研究团队一起,首次在半导体器件中制备出石墨烯电子结构,取得了人造石墨稀的下一个进步。

[据IEEE波谱杂志网站2017年12月18日报道]  在过去的几年中,一种新型石墨烯吸引了越来越多的关注。

这种最新的二维材料被称为“人造石墨烯”,不是由单层石墨烯原子构成。相反,该材料是由其他材料构成,具有与石墨烯类似的蜂窝状晶格结构,具有独特的电子特性。

现在,哥伦比亚大学的一组研究人员与普林斯顿大学、普渡大学、意大利理工学院的研究团队一起,首次在半导体器件中制备出石墨烯电子结构,取得了人造石墨稀的下一个进步。

该国际研究团队制备出固态砷化镓(GaAs)量子阱,将电子和空穴限制在垂直方向。该固态半导体器件与此前人造石墨烯仅被用于光子器件具有很大的不同。

在数字逻辑应用方面,纯导体石墨烯很难与半导体竞争。石墨烯没有带隙结构,而该能带结构对于形成“导通/关闭”状态电子流至关重要,也是数字逻辑电路所必需的。

虽然现在已经可以使石墨烯具有硅一样的带隙结构,但其代价是消除了该材料全部引人注目的优异电子性质。结果是石墨烯的电子特性仅能应用于光子器件和光电器件。

该项研究成果将人造石墨烯用于半导体系统,有望将人造石墨烯用于所有半导体技术。

哥伦比亚大学博士后研究员兼该研究合作者Lingjie Du相信,使用人造石墨稀制备的电子器件可以选择P型砷化镓量子阱中的自旋轨道耦合强度,从而产生拓扑绝缘体,即内部为绝缘体而表面为导体的材料。这种绝缘体有望带来拓扑量子计算,这是实现量子计算机的更可靠的理论方法。“天然石墨烯及其他人造石墨烯系统都不具备这种性能。”Du说。

这种人造石墨烯半导体采用“自上而下纳米制备技术”制备而成,在调节电子态及电子器件扩展性及集成度方面具有成熟的优势,据Du表示。

例如,将两种不同晶格结构的人造石墨烯集成,可以制备成pn结。Du计划增加蜂窝状点阵的应变,以实现无耗散的电流传输,这将解决在实现更小体积集成电路中的功耗问题。

Du说,虽然砷化镓比硅更贵,但他们开发的纳米制备技术也可用于硅材料。但使硅材料达到实现更小功耗所需的纯度难度更大。(工业和信息化部电子第一研究所  张慧)

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