Сменят ли кремний на углерод?
Графен - слой углерода толщиной в один атом - чрезвычайно перспективный материал, открытый в начале 21 века. Впервые его уникальные физические свойства были продемонстрированы 10 лет назад группой исследователей под руководством нобелевских лауреатов Андре Гейма и Константина Новосёлова.
Одним из удивительных свойств графена является его невероятная прочность при очень малой толщине, поэтому новый материал используют там, где необходимы одновременно легкость и надежность конструкции. Однако к наиболее сильным изменениям может привести применение графена в области электроники. Он может найти применение в приборах спинтроники, квантовых компьютерах, терагерцовых осцилляторах, заменить кремний в интегральных микросхемах и стать основой будущей наноэлектроники. Это исключительно важно, поскольку основанные на кремнии схемы при работе сильно нагреваются, что приводит к большому расходу электроэнергии и разрушению электронных приборов. Замена кремния на графен существенно улучшила бы их характеристики благодаря большему быстродействию и способности работать при более высоких (на несколько сотен градусов) температурах.
Новым шагом к графеновой электронике стало исследование группы российских и зарубежных ученых, которое показало принципиальную возможность синтеза графена на подложках (так называют материал, на поверхность которого можно нанести тонкий слой чего-либо), широко используемых в современной кремниевой электронике (речь идёт о тонких монокристаллических пленках кубического карбида кремния SiC(001), предварительно выращенных на стандартных пластинах кремния большого диаметра).
Свойства графенового покрытия на кубическом карбиде кремния и, следовательно, возможность его применения оставались под вопросом. Но недавно в журналах Nano Research и Nanotechnology вышли статьи учёных из Института физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН, Черноголовка), где они совместно с коллегами из ведущих научных центров Европы продемонстрировали, что на указанных выше подложках можно вырастить однородную, сплошную и непрерывную по всей поверхности плёнку графена, состоящую из нескольких атомных слоёв и имеющую свойства однослойного графена.
При наличии соответствующего оборудования размер графенового слоя будет определяться только размером кремниевой пластины с нанесенной пленкой карбида кремния. Поэтому графеновые слои, выращенные на таких пластинах, могут быть использованы в уже существующих технологиях по производству интегральных микросхем.
Заметим, кремниевые пластины большого диаметра (30-45 см) с выращенными на их поверхности монокристаллическими пленками кубического карбида кремния, дешевы и коммерчески доступны, например, в Японии и США.
В ходе последних исследований обнаружилось ещё одно удивительное свойство графена, синтезированного на поверхности кубического карбида кремния: он состоит из нанолент - узких полосок шириной несколько нанометров, разделённых междоменными границами. Такие полоски могут обладать полупроводниковыми свойствами из-за наличия запрещенной зоны величина которой зависит от ширины лент, а также от расположения атомов и дефектов на их границах. Выращивание графеновых нанолент на технологичной подложке может стать важным этапом на пути создания графенового полевого транзистора, способного работать при комнатной температуре, и открыть дополнительные перспективы для наноэлектроники.
Можно с уверенностью сказать, что сделан существенный шаг в направлении будущей совместимой с массовым промышленным производством электроники, основанной на графеновых подложках большого диаметра, т.е. в направлении замены кремниевой электроники на графеновую. Необходимо отметить, что определяющий вклад в проведенные исследования был внесен именно российскими научными сотрудниками, без участия которых вряд ли были бы получены результаты двух недавно опубликованных статей», - отмечает Виктор Аристов из ИФТТ РАН, соавтор работы.
Изображение монослоя графена на поверхности кубического карбида кремния, полученное в Институте физики твердого тела РАН (Черноголовка) на сканирующем туннельном микроскопе GPI-300
Для электронных технологий необходимо умение выращивать графеновые слои на изолирующих подложках, совместимых с производством интегральных схем. Успех современной электроники, полностью изменившей наш мир в течение 3-х последних десятилетий (мобильная телефония, интернет, компьютеры, огромные информационные базы данных, космические аппараты, навигаторы, возможности современной диагностики и новые методы лечения в медицине и т.п.), был бы невозможен без массового производства интегральных схем и микроминиатюризации, позволившей размещать десятки миллионов транзисторов на одном квадратном сантиметре.
В наиболее эффективных современных методах выращивания графена используется гексагональная модификация карбида кремния (аналог подложек, используемых в кремниевой технологии). Однако на пути к массовому производству графена на таких подложках есть два серьезных препятствия: (i) размер пластин, на поверхности которых выращивают графен, не превышает 6-8 см в диаметре (тогда как кремниевые подложки, используемые в электронной промышленности, достигают 45 см) и (ii) стоимость одной пластины из гексагонального карбида кремния в настоящее время составляет примерно 2000 долларов.
Более того, полученный таким методом графен практически невозможно непосредственно использовать для создания полевого транзистора (основного элемента любой интегральной микросхемы) из-за отсутствия так называемой запрещенной зоны, отделяющей заполненные электронные уровни от незаполненных. Отсутствие запрещенной зоны в графене означает невозможность реализации двух состояний двоичной логики: проводящего и непроводящего. Создание запрещенной зоны достаточной ширины в графене открыло бы перспективы для создания баллистического транзистора и появления нового класса приборов с базовой толщиной транзисторов до 10 нм.
Ольга Кудряшова, strf.ru, 24.03.2014