比石墨烯優(yōu)質(zhì)的2D磷烯 在兩個維度可以擊敗硅

國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)持續(xù)尋找硅替代材料的行動備受全球矚目，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納米管(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)于石墨烯以及硅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開發(fā)藍(lán)圖——未來將需要原子級單層延續(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。

 

 

圖中的黑磷模型說明其原子單層的「可折迭蜂巢式」內(nèi)部結(jié)構(gòu)（來源：McGill University）

 

“我們的研究顯示可以誘導(dǎo)電子在多個2D形式的黑磷原子層中移動，”麥基爾大學(xué)教授Thomas Szkopek解釋，“就純科學(xué)的理由來看，我們?nèi)匀徊恢离娮尤绾卧谟邢薜?D中移動的細(xì)節(jié)；而在技術(shù)方面，這是因?yàn)殡娮咏M件在電子受限于2D時所展現(xiàn)的功能更好。”

 

在室溫下，磷烯的電子遷移率已經(jīng)被測定可達(dá)到硅(2700cm2??/Vs)的2倍，而在冷卻時(3900cm2/Vs)更高達(dá)將近3倍，預(yù)計在針對相容基板與電極優(yōu)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，麥基爾大學(xué)的研究人員們認(rèn)為這并不算是太嚴(yán)重的問題，因?yàn)樗麄円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)2D電子在黑磷中移動時甚至可穿透多層導(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。”Szkopek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，這對于未來的黑磷組件開發(fā)具有重要的實(shí)質(zhì)意義。”

 

為了證明這個觀點(diǎn)，研究人員們將黑磷制造成量子阱場效應(yīng)晶體管(FET)裸晶，它能夠以超過100,000的電流定值輕松地導(dǎo)通與斷開。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量展現(xiàn)2D載體。此外，研究人員們還預(yù)測這種磷烯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效晶體管裸晶（來源：McGill University）

 

未來，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)。除了優(yōu)化，研究人員們并計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也參與了這項研究。該研究中的磁場實(shí)驗(yàn)是在佛羅里達(dá)州的國家高磁場實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行；該實(shí)驗(yàn)室由美國國家科學(xué)基金會(NSF)、佛羅里達(dá)州以及美國能源部(DoE)共同贊助支持。