Интерес к графену не угасает с момента его открытия нашими бывшими соотечественниками, а ныне рыцарями ее величества Елизаветы II. Не в последнюю очередь и потому, что регулярно из их лабораторий выходят всё новые и новые работы, доказывающие принципиальную возможность использования графена в качестве «нового кремния» для электроники будущего.
Заветный ТТ
В туннельном транзисторе, в отличие от обычного полевого, канал контролируется с помощью квантового туннельного эффекта, а не инжекции заряда. То есть при наложении внешнего напряжения электроны преодолевают потенциальный барьер со значительно большей вероятностью. Теоретические расчёты показывают, что такой транзистор будет требовать в разы меньшего напряжения для переключения состояний, а значит, значительно снизит энергопотребление микросхем. <1>
До сих пор не существовало реализованных образцов туннельных транзисторов, работающих при комнатной температуре. И в этом направлении большие надежды возлагались на графен, который имеет очень высокую подвижность носителей заряда и словно предназначен для миниатюрных микросхем. Однако наряду с замечательными электрическими свойствами у графена есть и недостатки — в частности, отсутствие запрещённой зоны, то есть области значений энергии, которую не могут иметь носители заряда. Именно наличие запрещённой зоны отличает полупроводник от металла и делает возможным функционирование основных элементов интегральных схем.
Воздвигаем барьеры
Отсутствие «виртуальной» запрещённой зоны физики из разных уголков света предлагали обойти, создав своеобразный пространственный барьер. К примеру, популярной стала идея туннельного транзистора, состоящего из двух тонких графеновых лент. Однако при существующем уровне развития технологий такое устройство слишком сложно в получении.
Пару лет назад итальянские учёные из Пизы сменили угол зрения и показали с помощью компьютерного расчёта, что эффективным может быть транзистор, состоящий из двух параллельно расположенных монослоёв графена. Впрочем эта работа осталась практически незамеченной.
От теории к практике
Команда манчестерских графеновых дел мастеров тоже решили попытаться использовать этот уникальный материал не вдоль, как обычно, а поперёк, создав на его основе гетероструктуру типа сэндвич. В качестве начинки использовали монослои нитрида бора и дисульфида молибдена. <4>Причём транзистор не собирали из «готовых» материалов, а выращивали послойно.
«Идея туннельного транзистора не нова. Однако, единственный материал, который для него подходит — это графен, с его «безмассовыми» электронами. Проблемы была в том, как создать из графена такое устройство.
Выяснилось, что лучший способ — укладывать послойно графен, чередуя его с другим материалом. Однако это вовсе не тривиально с технической точки зрения.
В итоге мы пришли к новой концепции послойного конструирования материалов — и это может быть даже более важно, чем сам транзистор, — рассказал корреспонденту «Газеты.Ru» Константин Новосёлов. — Я уверен, что идея создания таких гетероструктур вскоре получит широкое распространение».
Устройства получились очень удачными, показав соотношения токов включенного и выключенного состояния от 50 для прослойки нитрида бора до 10000 для прослойки из дисульфида молибдена. Эти показатели практически не зависели от температуры, то есть технология пригодна для создания устройств, работающих при средней температуре, а может быть, и при небольших перегревах.
В своей статье, опубликованной в Science, исследователи пишут, что технология пригодна для масштабирования и позволит создавать быстродействующие энергоэффективные устройства, миниатюризировать микросхемы, причём работа только начата. А значит, дальнейшее улучшение конструкции и материалов транзистора позволит значительно улучшить его характеристики.
Ну и, естественно, новая технология будет использоваться для производства других элементов микросхем.
«Многочисленные устройства, созданные на основе таких гетероструктур должны быть продемонстрированы. Некоторые уже были — к примеру, квантовый переменный конденсатор, остальные на подходе.
Но на самом деле это новая задача для технологов. Они только приблизились к решению проблемы выращивания графена не в лабораторных условиях, а мы уже требуем от них растить гетероструктуры, — поделился своими соображениями о перспективах открытия профессор Новосёлов. — Впрочем, я достаточно оптимистичен — прогресс в последние годы был просто невероятный».
Данная работа выполнена представителями семи научных организаций, представляющих пять стран — Великобританию, Нидерланды, Португалию, США и Россию. Представителем России стал давний коллега Андрея Гейма и Константина Новоселова — Сергей Морозов из Института микроэлектронных технологий (Черноголовка).