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admin 优德88手机客户端 2019-11-06 190 0

集成电路芯片制作工业跟着特征标准持续缩小,传统微纳工艺技术现已不能处理由于其标准缩小而导致的器材功能劣化的问题。世界半导体技术发展路线图(ITRS)猜测,想要保持摩尔定律,将需求选用新资料和新的晶体管几许结构才干成功处理晶体管扩展的巨大应战。以石墨烯的发现为开端的二维资料(2D资料)由于其共同的物化性质,而逐步遭到集成电路芯片制作工艺研讨人员的喜爱。

二维资料也被称为单层资料,指在两个维度上为非纳米标准(1-100nm),而在另一维度则为纳米标准的资料。这就意味着载流子(一般指电子)仅能够在两个非纳米标准的维度上自在运动。

二维资料在结构上的特色根本能够归纳为:(1)原子摆放结构有序,(2)在二维平面上有序成长,(3)在第三个维度上的厚度超薄(纳米级)。能够幻想,关于单层的二维资料其外表的原子简直彻底处于暴露状况,与其块体资料比较,原子利用率大大进步。

以石墨烯、黑磷(BP)、六方氮化硼(h-BN)、过渡金属二硫化物(TMDs)等为代表的二维资料(2DM),能够为电子搬迁供给极薄“沟道”构成新的晶体管器材模型,经过这一导电“沟道”的引进,研讨人员便能够经过操控栅极然后对沟道中载流子势垒进行操控。

常见的2D资料及其能带结构

其实追溯至1959年在加州理工学院的物理年会上,Richard P. Feynman 就现已做出了以“There's Plenty of Room at the Bottom”为主题的讲演。他提出两个问题,即:“咱们能够运用特定层数的层状结构资料做什么?假如能够对研讨的资料运用特定的办法进行逐一原子的排布,那么资料的性质将会是怎样?”

在2004年,Novoselov,Geim 以及合作者首要证明了的确能够别离出单层的碳,即咱们熟知的石墨烯。自此,单层石墨烯的发现将其时普遍认为二维晶体有限温度下无法安稳存在的固有认知打破。自石墨烯被发现以来,以其为代表的各类二维原子晶体资料展示出丰厚的物理、化学性质。

常见的二维资料

1. 石墨烯

简略讲石墨烯便是单层的碳原子,它的晶格组织为六方蜂窝状,而这种结构逐层的堆叠起来便是熟知的石墨。研讨标明,石墨烯在室温下的搬迁率可达2e5 (cm2V-1s-1)杨氏模量超越1100 (GPa),理论上的比外表积也高达。因而,石墨烯在半导体资料、光伏工业以及动力等范畴都具有十分宽广的运用远景。

石墨烯结构示意图

在半导体集成电路芯片工业中,跟着微纳加工工艺技术的不断发展,现在干流的硅基晶体管的物理标准现已挨近理论极限。由于单层的石墨烯仅为0.35纳米,其导热率、导电率等都远远超越了Si基以及其它惯例半导体资料的导热率和导电率,这使得其有望代替硅而成为新一代集成电路芯片电子元器材的根底资料。

但是石墨烯的能隙挨近于0 eV, 严格来说就不是半导体资料, 天然谈不上电路芯片的制作。而且在没有自旋-轨迹耦合的效果下,本征态的石墨烯遭到六重对称性的维护,禁带宽度为零;即便考虑了自旋-轨迹的耦合效果,其能隙也只是只有约0.000001 eV,根本能够忽略不计,所以以其作为沟道资料的晶体管GFETs很难被关断。因而,无法运用本征石墨烯代替现在的硅基资料制作大规模的集成电路芯片。现阶段主要是经过掺杂然后代替石墨烯晶格结构中的部分碳原子或许经过引进其它二维资料以期构建多维纳米结构构成异质结等办法,在必定条件下战胜石墨烯自身固有的零禁带问题,然后完结更高的晶体管电流开关比等特性。

2. h-BN

2D h-BN层状资料,由于具有极好的化学安稳性和绝缘性而引起了极大的重视。h-BN具有典型的层状结构,如一切的二维资料,它的每一层都由替换的硼原子和氮原子组成蜂窝状结构摆放,与石墨烯的晶格结构极端类似。在每层内,替换的B和N原子经过强B-N共价键相互连接,而层与层之间经过弱的范德华力保持在一起。研讨发现,体h-BN资料具有5.97 eV的直接带隙。现在研讨显现,经过CVD(化学气相堆积)合成法在Cu箔上制备的单层的h-BN,其光学带隙约为6.07 eV,这个值略大于体资料和少层的h-BN资料的带隙值,原因是缺少了层间的耦合效果影响。

几种典型二维资料的带隙汇总表。


典型二维资料的bandgap


虽然单层或许少层h-BN与其体资料的带隙类似,但h-BN资料的击穿电压却依靠其层数的改变。研讨报导发现在较高的偏压下,一切的样品都会发作隧穿效应。势垒高度约为3.07eV,而且h-BN层状资料的介电击穿强度约为7.95 MV/cm,与干流的SiO2资料适当(势垒高度约为3.25eV,击穿强度为8-10 MV/cm)。这种具有高击穿场强的h-BN电介质展示出了用于场效应隧穿晶体管的潜力。别的,正是由于其具有其杰出的电绝缘功能,能够将其用作芯片电子器材中电荷走漏的阻挡层资料。

3. 黑磷

黑磷(BP)也是一种新式的二维资料,与石墨烯和TMDs比较,BP的带隙规模为0.3-2.0eV,而且由其厚度决议。BP的厚度越小对应的带隙越大,研讨发现单层BP的带隙能够到达2.0 eV。BP是一种天然的p型半导体资料,载流子为空穴,经核算其搬迁率高达约1000 cm2V-1s-1,其理论容量值约为2596 mAh/g。这些优势为其在光电、电子、催化和储能等范畴等的潜在运用供给了极大或许。

黑磷结构示意图

在电子芯片范畴范畴,BP作为一种天然的p型半导体资料,能够将其作为芯片中最根本单元场效应晶体管(FET)或二极管等电学元器材的沟道资料运用。以其为根底的原型器材均展示出了优异的电学功能,极大的促进了BP在电子范畴中的运用与研讨。

光催化制氢方面,BP具有与厚度依靠的带隙,能够在0.3-2.0 eV之间调理。当运用具有满足强度能量的光照耀BP时,BP的能带结构中处于价带上的电子会由于光照被激起到导带,而空穴则留在价带中。这个阶段称为半导体的“光激起”状况,发生负电子(e-)和正空穴 (h +)对,从而完结H2的制备。这种特性使BP在未来光催化剂方面的运用充满希望。经过剥离办法得到的BP二维资料,比较于块体具有更大的比外表积,这使得杂原子进行掺杂时,能够在BP的层中发生更多的活性位点和缺点,进步催化的功率,为BP在催化范畴中的运用供给了光亮的远景。

黑磷的光催化运用

但BP在空气中极不安稳,在没有维护的情况下,一般在24小时后,就能够看到二维层状BP的外表会发生气泡,根据BP的原型器材的功能也会在数日内敏捷退化。别的,现在为止二维BP的制备根本都集中于机械剥离的办法,这也在必定程度上限制了其进一步的工业运用。

4. 二维过渡族金属二硫化物

二维过渡族金属二硫化物(TMDs),由金属M原子(例如Mo,W,Hf,Ta等)和两层硫属族原子X(S,Se或Te)组成MX2结构,且其抱负原子化学计量比为2:1。在大多数TMDs中存在着1-2eV的带隙,这使得它们比零带隙的石墨烯资料更适合用于芯片中原型电学器材的制备。

二维过渡族金属二硫化物

根据过渡金属原子具有的不同配位办法,TMDs资料会存在多种结构相态。现在研讨中最为常见的结构是三棱柱(2H)和八面体(1T)的两种相态。关于单层TMDs的不同结构2H相对应ABA的堆积办法(硫族原子-金属原子-硫族原子),处于结构中不同层的硫族原子占有着堆积办法中相同的方位A,而从笔直方向上看上去,每个层中的硫族原子正好处于其下一层中的硫族原子的正上方,1T态的相则对应于ABC的堆积办法。其间2H相态的TMDs的块体一般都体现出直接带隙半导体的资料特性。这些直接带隙的规模从MoS2的1.0-1.29eV到WS2的1.3-1.4eV,MoSe2的1.1eV,WSe2的1.2eV等。当TMDs的层数减小到单层时,它们会体现出直接带隙半导体的资料特性。

现阶段,少层的TMDs资料体系正被广泛研讨,由于能够完结具有不同取向的堆叠,因而即便在同一平面内也会发生史无前例的性质。此外,来自不同TMDs资料的单层能够以不同办法堆叠以发生具有不同电子特性的新资料,以及能够在MoS2-WS2的双层或单层体系中发生p-n结的或许性。

各方面的报导显现2D资料在未来的电子器材、光学器材、及储能等范畴均体现出了宽广的运用远景。特别是未来的芯片制作方面,跟着Si基资料标准的逐步减小,若想持续保持芯片功能的进一步提高,必将引进新的资料将Si基资料代替,2D资料展示出很好的优势。

参考文献:

[1] Science, 2004, 306(5696): 666-669.

[2] Chem Rev, 2010, 110(11): 6503-6570.

[3] Journal of Materials Research, 2014, 29(3): 348-361.

[4] Nature, 2013, 499(7459): 419.

[5] Materials today, 2012, 15(12): 564-589.


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