美國密西根理工大學(MichiganTech)透過結(jié)合石墨烯的高電子遷移率與氮化硼碳奈米管(BNNT)的絕緣層特性，期望開發(fā)出尺寸較矽(Si)更小且更具熱效能的無半導體(semiconductor-less)異質(zhì)接面電晶體，從而在國際半導體技術(shù)藍圖(ITRS)預期的2028年大限時接棒。

“我們對于這個研究主題的興趣在于打造完全不使用半導體的電子元件。盡管其他人正致于解決矽基電晶體的根本問題，我們則大膽地從探索不使用半導體的電路著手。由于石墨烯提供了高電子遷移率，將它應用在數(shù)位交換器時，可帶來具有吸引力的研究里程碑，”密西根理工大學教授YokeKhinYap表示，“研究結(jié)果顯示在石墨烯上生長電子絕緣BNNT，可利用石墨烯帶來高效益的數(shù)位交換器。”

過去幾年來，石墨烯已經(jīng)成為各種先進研究的主題，但大部份的研究都著重于其零能隙特性進一步調(diào)整或加以摻雜，期望使其作為傳統(tǒng)半導體的替代材料。然而，密西根理工大學則保留石墨烯零能隙導體的特性，進一步為其結(jié)合寬能隙的絕緣體BNNT，期望打造出一種矽晶無法超越的超高密度異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)。

密西根理工大學日前與美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)共同發(fā)表具有金量子點(QD)的BNNT，使其一種像穿隧電晶體一樣電子可在量子點之間跳躍的元件；這篇名為“帶金量子點功能的BNNT室溫穿隧行為”(Room-TemperatureTunnelingBehaviorofBoronNitrideNanotubesFunctionalizedwithGoldQuantumDots)的報告已經(jīng)發(fā)表在《先進材料》(AdvancedMaterials)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)的化學結(jié)構(gòu)與BNNT(粉紅和紫色)，成為打造無半導體數(shù)位交換器的關(guān)鍵。

“我們最先發(fā)布于2013年《先進材料》中的首項成果是基于金量子點之間的量子穿隧行為。量子點之間的實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。“目前針對石墨烯-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。在充份施加電場后，彎曲能帶使量子穿隧跨越阻障層，從而開啟了開關(guān)。”

為了實現(xiàn)石墨烯/氮化硼異質(zhì)接面，研究團隊在剝落的石墨烯單層蝕刻針孔，并從中生長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)即時監(jiān)測期間，室溫下以四探針掃瞄穿隧顯微鏡(STM)進行特性化后，研究人員們發(fā)現(xiàn)僅開啟0.5V電壓時的交換率高達105。Yap認為，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。

灰色石墨導電基底可生長絕緣的BNNT，從而形成無半導體電晶體的異質(zhì)接面。

接著，研究人員希望采用石墨烯的原子單層進行研究，最終開發(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，“我們也正探索三端元件的設(shè)計，例如，利用一個環(huán)繞閘極的設(shè)計。”

從金量子點穿隧到BNNT的其他元件，密西根大學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，而不必使用半導體材料。

據(jù)Yap，石墨烯本身速度太快了，只能作為導體應用，而氮化硼能隙過大，無法實現(xiàn)絕緣體以外的其他應用，但結(jié)合二者使用卻相得益彰，實現(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)斷時幾乎不耗電。

這項研究由美國能源署(DOE)、美國陸軍研究實驗室(U.S.ArmyResearchLaboratory)武器與材料局(WMRD)共同贊助，并在奈米材料科學中心(CNMS)與整合奈米技術(shù)中心(CINT)進行研究。

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