Ученые создали первый функциональный полупроводник из графена — у него есть потенциал заменить кремний

Учёные из Технологического института Джорджии утверждают, что создали «первый в мире функциональный полупроводник, изготовленный из графена». Созданный ими эпитаксиальный графен совместим с традиционными методами производства микроэлектроники, благодаря чему он может считаться реальной альтернативой кремнию.

Источник изображений: Georgia Tech

Технологические эксперты постоянно указывают на необходимость сохранения возможности использования закона Мура в вопросе производства электроники. Однако одна из ключевых проблем, с которой сталкиваются те, кто двигают индустрию производства полупроводников вперёд, заключается в том, что физические свойства кремния приближаются к своим пределам. С другой стороны, графен с момента его открытия в 2004 году постоянно рекламируется как чудо-материал, призванный решить все проблемы, связанные с производством полупроводников в будущем. Тем не менее, попытки его использования пока не способствовали какому-либо значительному или широко распространённому технологическому прорыву. Однако исследователи из Технологического института Джорджии, похоже, действительно совершили значительный шаг вперёд в этом вопросе, объединив очищенный эпитаксиальный графен с карбидом кремния в составе полупроводника.

Исследование ведёт группа учёных из США и Китая под руководством профессора физики из Технологического института Джорджии Уолтера де Хира (Walter de Heer). Де Хир работает над технологиями 2D-графена с начала 2000-х годов.

«Нас мотивировала надежда внедрить три особых свойства графена в электронику. Это чрезвычайно прочный материал, который может выдерживать очень большие токи, при этом не нагреваясь и не разрушаясь», — комментирует учёный.

Однако несмотря на эти три свойства ключевая полупроводниковая характеристика в материалах на основе графена до сих пор отсутствовала. «Давняя проблема в графеновой электроники заключается в том, что графен не имеет правильной запрещенной зоны и не может включаться и выключаться, то есть переходить из одного состояния в другое, с правильным соотношением», — отмечает специалист по наночастицам и наносистемам доктор Лэй Ма (Lei Ma), коллега де Хира из международного цента Тяньцзиньского университета, который также является соавтором работы «Сверхвысокомобильный полупроводниковый эпитаксиальный графен на карбиде кремния», опубликованной в журнале Nature.

Исследователи поясняют, что они нашли способ выращивать графен на пластинах карбида кремния с использованием специальных печей, получив в итоге эпитаксиальный графен, объединённый с карбидом кремния. Согласно официальному блогу Технологического института Джорджии, на совершенствование этого материала ушло десятилетие. Его нынешние испытания показывают, что полупроводниковый материал на основе графена демонстрирует в десять раз большую подвижность электронов, чем кремний.

«Иными словами, электроны в материале движутся с очень низким сопротивлением, что в электронике приводит к более быстрым вычислениям», — поясняется в пресс-релизе института.

Де Хир объясняет привлекательные свойства электроники на основе графена более простыми словами: «Это всё равно, что ехать по автостраде, а не по гравийной дороге. Он [материал на основе графена] более эффективен, не так сильно нагревается и позволяет электронам развивать более высокую скорость».

По словам учёных, их эпитаксиальный графен, объединённый с карбидом кремния, намного превосходит любые другие 2D-полупроводники, находящиеся в разработке. Профессор де Хир охарактеризовал прорыв его группы исследователей в области полупроводниковых материалов как «момент братьев Райт», а также подчеркнул совместимость материала с квантово-механическими волновыми свойствами электронов. Другими словами, он может сыграть важную роль в будущих достижениях в области квантовых вычислений.