중국과 미국의 연구원들이 그래핀으로 만든 기능성 반도체를 최초로 만들었습니다. 기존 제작 기술을 확장하여, 월터 드 히어 Tianjin University와 Georgia Institute of Technology의 동료들은 그래핀의 강력하고 쉽게 조정 가능한 특성을 유지하면서 2D 재료에서 밴드갭을 개발했습니다.

실리콘은 현대 반도체 전자공학의 중추입니다. 그러나 최신 실리콘 기반 기술은 더 높은 컴퓨팅 속도, 더 낮은 전력 소비 및 더 작은 장치에 대한 끊임없는 요구로 인해 한계에 도달하고 있습니다.

지난 2004년 동안 연구자들은 그래핀이 실리콘에 대한 실용적인 대안을 제공할 수 있는 가능성을 탐구해 왔습니다. XNUMX년에 처음 분리된 그래핀은 원자 XNUMX개 두께의 탄소 시트입니다. 그 이후로 연구자들은 그래핀이 전자 장치에 매우 유용할 수 있는 여러 가지 특성을 가지고 있음을 발견했습니다. 여기에는 높은 전자 이동도가 포함됩니다. 강력하고 가벼우며 매우 컴팩트한 구조; 그리고 우수한 열 방출.

한 가지 큰 단점

그러나 그래핀에는 한 가지 큰 단점이 있습니다. 기존 반도체와 달리 그래핀에는 고유 전자 밴드갭이 없습니다. 이는 전자가 전기를 전도하기 위해 극복해야 하는 에너지 장벽입니다. 반도체로 전자 스위치(트랜지스터)를 만들 수 있게 해주는 것이 바로 밴드갭이다.

“그래핀 전자공학의 오랜 문제는 그래핀이 적절한 밴드갭을 갖지 않고 올바른 비율로 켜고 끌 수 없다는 것입니다.”라고 공동 창립자이자 공동 저자인 Lei Ma는 설명합니다. 천진국제나노입자 및 나노시스템센터 드 히어와 함께. "수년에 걸쳐 많은 사람들이 다양한 방법으로 이 문제를 해결하려고 노력해 왔습니다."

이전 연구에서는 양자 구속 및 순수 그래핀의 화학적 변형과 같은 기술을 사용하여 적절한 밴드갭을 설계하려고 시도했습니다. 그러나 지금까지 이러한 접근 방식은 거의 성공하지 못했습니다.

de Heer는 “우리는 [그래핀]을 처리하는 방법, 이를 점점 더 좋게 만드는 방법, 그리고 마지막으로 그래핀의 특성을 측정하는 방법을 배워야 했습니다.”라고 설명합니다. “아주 아주 오랜 시간이 걸렸어요.”

자발적인 성장

최근 연구에서 연구진은 밴드갭 반도체 "에피그래핀"이 탄화규소 결정 표면에서 어떻게 자발적으로 성장할 수 있는지 처음으로 보여주었습니다.

이전 연구에서는 고온에서 실리콘이 결정 표면에서 승화되어 탄소가 풍부한 층이 남는다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 층은 제한된 반도체 특성을 갖는 다층 에피그래핀으로 재결정화됩니다.

이 기술을 확장하여 de Heer와 Ma 팀은 샘플 온도와 에피그래핀 형성 속도를 주의 깊게 제어하는 ​​새로운 어닐링 방법을 개발했습니다. 그들은 거시적이고 원자적으로 평평한 테라스에서 성장하는 견고한 그래핀 층을 만들었습니다. 더욱이, 그래핀 원자는 탄화규소 기판의 격자와 정렬됩니다.

유용한 밴드갭

연구진은 주의 깊은 측정을 통해 이 층이 우수한 2D 반도체라는 것을 보여주었습니다. 이는 높은 전자 이동도와 함께 수십 년 동안 연구자들에게 알려지지 않았던 유용한 밴드갭을 가지고 있습니다.

“우리는 이제 실리콘의 이동도가 10배에 달하고 실리콘에서는 볼 수 없는 독특한 특성을 지닌 매우 견고한 그래핀 반도체를 갖게 되었습니다.”라고 de Heer는 말했습니다. 그는 실리콘의 전자 이동성을 자갈길 운전과 비교하는 반면, 에피그래핀은 전자 고속도로와 같습니다. “이것은 더 효율적이고, 많이 가열되지 않으며, 전자가 더 빨리 움직일 수 있도록 더 높은 속도를 허용합니다.”라고 de Heer는 설명합니다.

이 성능 외에도 팀은 에피그래핀이 광범위한 원자와 분자로 도핑되어 전자 및 자기 특성을 미세 조정할 수 있음을 보여주었습니다. 이 소재는 성능을 더욱 향상시키기 위해 나노패턴화할 수도 있습니다. 나노패턴화는 다른 기판에서 성장한 그래핀으로는 수행하기가 매우 어렵습니다.

De Heer, Ma 및 동료들은 그들의 기술이 반도체 제조에 대한 완전히 새로운 접근 방식의 길을 열 수 있고 궁극적으로 차세대 그래핀 기반 전자 장치를 향한 중요한 첫 단계가 될 수 있기를 바라고 있습니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 자연.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/graphene-based-semiconductor-has-a-useful-bandgap-and-high-electron-mobility/