无半导体的异质接面电晶体可望取代硅

 “我们对于这个研究主题的兴趣在于打造完全不使用半导体的电子元件。尽管其他人正致于解决矽基电晶体的根本问题，我们则大胆地从探索不使用半导体的电路着手。由于石墨烯提供了高电子迁移率，将它应用在数位交换器时，可带来具有吸引力的研究里程碑，”密西根理工大学教授Yoke Khin Yap表示，“研究结果显示在石墨烯上生长电子绝缘BNNT，可利用石墨烯带来高效益的数位交换器。”

过去几年来，石墨烯已经成为各种先进研究的主题，但大部份的研究都着重于其零能隙特性进一步调整或加以掺杂，期望使其作为传统半导体的替代材料。然而，密西根理工大学则保留石墨烯零能隙导体的特性，进一步为其结合宽能隙的绝缘体BNNT，期望打造出一种矽晶无法超越的超高密度异质接面结构。

密西根理工大学日前与美国橡树岭国家实验室(ORNL)共同发表具有金量子点(QD)的BNNT，使其一种像穿隧电晶体一样电子可在量子点之间跳跃的元件;这篇名为“带金量子点功能的BNNT室温穿隧行为”(Room-Temperature Tunneling Behavior of Boron Nitride Nanotubes Functionalized with Gold Quantum Dots)的报告已经发表在《先进材料》(Advanced Materials)期刊中。

研究人员在发现石墨烯具有相容于氮化硼的晶格结构后，除去了在其介面上的电子散射，他们认为可共同利用于创造出像电晶体般行为的异质接面。

结合石墨烯(灰色)的化学结构与BNNT(粉红和紫色)，成为打造无半导体数位交换器的关键。

“我们最先发布于2013年《先进材料》中的首项成果是基于金量子点之间的量子穿隧行为。量子点之间的实体间隙主要用于制作阻止电子流的潜在障碍(“关断”状态)，”Yap 说。“目前针对石墨烯-BNNT异质接面的研究，由于半金属石墨烯与宽能隙BNNT之间的状态密度(DOS)不匹配，形成防止电流流经接面(“关断”状态)的穿隧阻障层。在充份施加电场后，弯曲能带使量子穿隧跨越阻障层，从而开启了开关。”

为了实现石墨烯/氮化硼异质接面，研究团队在剥落的石墨烯单层蚀刻针孔，并从中生长BNNT——由于晶格匹配——使其分别形成电晶体般的异质接面。在以扫瞄电子显微镜(SEM)即时监测期间，室温下以四探针扫瞄穿隧显微镜(STM)进行特性化后，研究人员们发现仅开启0.5V电压时的交换率高达105。Yap认为，新的特性是在利用密度泛函理论(DFT)模拟后由于DOS不匹配所致。

灰色石墨导电基底可生长绝缘的BNNT，从而形成无半导体电晶体的异质接面。

接着，研究人员希望采用石墨烯的原子单层进行研究，最终开发出像矽电晶体般的三端元件，但在关断状态期间需要更高速度以及缺少半导体泄漏电压，因而大幅降低了功耗以及材料的作业温度。

“我们的下一个里程碑是打造石墨烯- BNNT异质接面与单层石墨烯薄层，”Yap说，“我们也正探索三端元件的设计，例如，利用一个环绕闸极的设计。”

从金量子点穿隧到BNNT的其他元件，密西根大学的研究人员制作出量子穿隧元件，可在室温下表现得像电晶体一样，而不必使用半导体材料。

据Yap，石墨烯本身速度太快了，只能作为导体应用，而氮化硼能隙过大，无法实现绝缘体以外的其他应用，但结合二者使用却相得益彰，实现如电晶体般的异质接面，不仅速度比矽更快，而且功耗还更低，在关断时几乎不耗电。

这项研究由美国能源署(DOE)、美国陆军研究实验室(U.S. Army Research Laboratory)武器与材料局(WMRD)共同赞助，并在奈米材料科学中心(CNMS)与整合奈米技术中心(CINT)进行研究。