Международный коллектив ученых разработал новую технологию оперативного производства графеновых лент с адекватной запрещенной зоной. Новая технолология дает новые возможности производства полевых транзисторов на основе графена.

Несмотря на то, что графен обладает высокой подвижностью зарядов, его использование в качестве материала канала проводимости в полевых транзисторах затруднено. Дело в том, что по своей природе графен является полуметаллом и, следовательно, при комнатной температуре такой материал в полевых транзисторах неприменим, поскольку при приложении затворного напряжения всегда будет существовать существенный ток утечки. Для решения этой проблемы необходимо миниатюризировать полоски графена, чтобы квантово-размерные эффекты привели к образованию запрещенной зоны. Однако существующие на данный момент технологии получения графеновых лент с запрещенной зоной довольно медленные, а получаемые в результате них полоски обладают разупорядоченными краями, что отрицательно сказывается на их электронных свойствах. Международный коллектив ученых утверждает, что разработанная ими технология лишена вышеупомянутых недостатков.

Рис. 1. Схематическое изображение процесса создания полевого транзистора.

В основе предложенного авторами статьи метода лежит давно известный способ получения эпитаксиального графена на поверхности карбида кремния при повышенных температурах. Давно известно, что грань (0001) карбида кремния имеет большую склонность к образованию мономолекулярных ступенек в направлении <1–100>, что приводит к образованию нанограней (1–10n) высотой в 4–5 периодов элементарной ячейки и наклоненных под углом 25 градусов к базисной плоскости.

Рис. 2. Результаты рамановской спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии, которые подтверждают селективное нанесение графена на грань (1–10n).

Для формирования нанограней методом фотолитографии наносятся полоски никеля перпендикулярно направлению <1–100> методом фотолитографии, которые затем были удалены плазменным травлением. Глубина травления составила 20 нм, что позволяет нанести полоску графена шириной 40 нм, что достаточно для возникновения запрещенной зоны, позволяющей эксплуатировать ее в транзисторах при комнатной температуре. После удаления никелевых полосок карбид кремния был нагрет при 1200–1300^oС при давлении 10^-4 Тч в течение 30 минут. После этого наногрань была окончательно сформирована.

Затем температура была повышена до отметки 1450^oС на 10 минут для формирования полоски графена. Селективное нанесение полосок графена на наногрань (1–10n) было подтверждено рамановской спектроскопии и просвечивающей электронной спектроскопии. В довершение процесса методом нанесения атомных слоев (ALD) был нанесен слой оксида алюминия, металлические контакты и затвор. Для демонстрации потенциала практического применения исследователи создали массив из 10000 транзисторов на чипе площадью 0.24 см².

Рисунок 3. а) Фотография, на которой изображен массив полевых транзисторов. b) Зависимоть проводимости от напряжения на затворе.

Авторы статьи надеются, что в дальнейшем им удастся получить еще более узкие полоски графена, сделав графен еще более привлекательным для использования в современной электронике.

Результаты исследований опубликованы в статье:

M. Sprinkle, M. Ruan, Y. Hu, J. Hankinson, M. Rubio-Roy, B. Zhang, X. Wu, C. Berger & W. A. de Heer Scalable templated growth of graphene nanoribbons on SiC. – Nature Nanotechnology 5, 727 – 731 (2010). Published online: 3 October 2010 | doi:10.1038/nnano.2010.192.

По материалам: