Тематика новых полупроводников особенно актуальна, так как кремний, из которого пока что изготавливают почти всю электроника, уже близок к пределу своего экономического потенциала на фоне растущих запросов рынка относительно производительности устройств и компактности деталей.
Возглавил группу учёных из США и Китая профессор физики з Georgia Tech Уолтер де Хир. Коллеги стремились получить такой графеновый полупроводник, который был бы совместим с широко распространёнными методами обработки в микроэлектронике. Только тогда, при условии запуска в производство, можно будет говорить о жизнеспособности изобретённой альтернативы кремнию.
В издании Nature профессор де Хир и его команда сообщили, что им удалось преодолеть важнейшее препятствие, которое десятилетиями мешало исследованиям графена, и причину, по которой многие думали, что графеновая электроника никогда не будет работать. Проблема известна как запрещённая зона — это важнейшее свойство, благодаря которому полупроводники включаются и выключаются. Запрещённая зона срабатывает у материала при воздействии на него электрополя, так и работают транзисторы. Но до решения вопроса, а как же задействовать запрещённую зону в графене, чтобы он работал подобно кремнию, прогресса с ним не наблюдалось.
Де Хир сообщил, что теперь у науки есть чрезвычайно прочный графеновый полупроводник, и его подвижность в 10 раз больше, чем у кремния. (Подвижность носителей тока — это величина, которая характеризует способность электронов перемещаться под действием электрического поля. Она определяет скорость их движения и влияет на эффективность передачи тока в материалах).
Наша задача за последний десяток лет состояла в том, а будет ли новый материал достаточно хорош в работе?
— Уолтер де Хир, профессор Georgia Tech.
Де Хир начал исследовать потенциал материалов на основе углерода в качестве полупроводников ещё в начале своего научного пути. На изучении графена он сосредоточился в 2001 году. И понял, что у того есть полезные для электроники свойства.
Их с коллегами питала надежда использовать для электроники такие особенности графена, как его чрезвычайная прочность, способность выдерживать очень большие токи без нагрева и разрушения.
Де Хир с сотрудниками достигли успеха, выяснив, как выращивать графен на пластинах карбида кремния в специальных печах. Так удалось получить эпитаксиальный (нарощенный слой за слоем) графен, представляющий собой сплошной материал. Учёные обнаружили, что при надлежащей технологии эпитаксиальный графен химически связывается с карбидом кремния, начиная проявлять полупроводниковые свойства.
Поняв, что они на верном пути, участники исследования в течение десятилетия совершенствовали материал в Georgia Tech. А затем начали сотрудничество с коллегами из Тяньцзиньского международного центра наночастиц и наносистем в КНР. Де Хир основал центр в 2014-м с Лей Ма, который стал там директором.
Изначально графен не относится ни к полупроводникам, ни к металлам, а проявляет свойства полуметалла. Но чтобы создать функциональный транзистор, команде учёных необходимо было измерять электронные свойства графена, не повреждая его.
Измерения показали, что подвижность у полупроводника из графена в 10 раз больше, чем у кремния. Иными словами, электроны движутся с очень низким сопротивлением, что способствует скорости вычислений. Материал на основе графена оказался более эффективным без сильного нагрева, при том обеспечивая более высокую скорость электронов.
Лей Ма прокомментировал, что давняя проблема графеновой электроники заключалась в отсутствии у графена нужной ширины запрещённой зоны, то есть он не мог включаться и выключаться должным образом. В течение долгих лет многие специалисты пробовали «расколоть» эту задачу разными способами.
Авторы открытия считают, что эпитаксиальный графен способен не только изменить всю сферу электроники, но и дать начало совершенно новым технологиям. Так, изобретение позволит задействовать квантово-механические волновые свойства электронов, что как раз необходимо для квантовых вычислений.
Де Хир сказал, что считает достижение путём к появлению нового поколения электроники. Если вспомнить, то до кремния использовались электронные лампы, а до того в ходу были провода и телеграф. То есть профессор рассматривает кремний лишь как один из многих этапов в истории электроники, а основой для следующего, возможно, уже становится графен.
