Углеродные наноматериалы в наноэлектронике. Часть 1 презентация

КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ТРАНСПОРТЕ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ (16 век…НАВСЕГДА)

КРЕМНИЙ – ОСНОВНОЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
ЭЛЕКТРОНИКИ (20 ВЕК…НАВСЕГДА)

КОЛЕСО (МАШИНОСТРОЕНИЕ) (ИЗДАВНА…НАВСЕГДА)

КРЫЛО (АВИАЦИЯ) (20 ВЕК…НАВСЕГДА)

МОП ТРАНЗИСТОР (ЭЛЕКТРОНИКА) (20 ВЕК…НАВСЕГДА)

КРЕМНИЙ ИМЕЕТ ПОЧТИ ИДЕАЛЬНУЮ ШИРИНУ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ (~ 1 эВ)

КРЕМНИЙ ИМЕЕТ ПОЧТИ ИДЕАЛЬНУЮ ГРАНИЦУ РАЗДЕЛА Si-SiO2 (плотность дефектов << 1011 см-2 )

ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ В КРЕМНИИ ПРИЕМЛЕМА (СОТНИ СМ2 /В С)

КРЕМНИЙ - РАСПРОСТРАНЕННЫЙ И ДЕШЕВЫЙ МАТЕРИАЛ, ОБЛАДАЮЩИЙ ПОЧТИ ИДЕАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬЮ

ФИЗИКИ
В СИЛУ ПРОСТОТЫ СТРУКТУРЫ МОПТ ПОДДАЕТСЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОМУ МАСШТАБИРОВАНИЮ
МИЛЛИАРД ПОЧТИ ИДЕНТИЧНЫХ КОПИЙ МОПТ НА ПЛОЩАДИ 1 СМ2 !!!

уже сопоставима с длиной свободного пробега и даже длиной волны электрона!
Но вольтамперные характеристики такие же, как у МОПТ с L =10 мкм, только хуже!
Квантовые эффекты в кремниевых МОПТ играют роль паразитных эффектов!
Пример: туннелирование через подзатворный окисел

«1» выход – «0»

В статике всегда один из транзисторов закрыт и блокирует ток.

Ток утечки при этом ~ 1 нА

Малость потребления в статике
- это фундаментальное достоинство КМОП технологии, обеспечивающее ее полное доминирование в цифровой технике

барьера

Предельная эффективность управления током в МОПТ –
60 мВ на декаду (больцмановская статистика)

ВЫСОТА БАРЬЕРА < ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ ПОЛУПРОВОДНИКА

ИСТОК

СТОК

ВЫСОТА БАРЬЕРА УПРАВЛЯЕТСЯ ЗАТВОРОМ

БАРЬЕР – PN ПЕРЕХОД

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ВАЖНОСТЬ НАЛИЧИЯ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ

питания
Слишком узкая запрещенная зона : большие токи утечки в статике
Отсутствие хорошего («родного») изолятора
Плохая технологичность и дороговизна

главной подгруппе четвертой группы, втором периоде. Углерод-типичный неметалл.

В настоящее время известно более миллиона соединений углерода с другими элементами. Их изучение составляет целую науку – органическую химию. В тоже время за изучение свойств чистого углерода ученые взялись сравнительно недавно - около 20 лет назад.

Углерод

– 0,048%. Но несмотря на это, он играет огромную роль в живой и неживой природе.

Углерод входит в состав органических веществ в растительных и живых организмах, в состав ДНК. Содержится в мышечной ткани – 67%, костной ткани – 36% и крови человека (в человеческом организме массой 70 кг в среднем содержится 16 кг связанного углерода).

кристаллическую решётку.

графит, c: лонсдейлит d: фуллерен — букибол C60, e: фуллерен C540, f: фуллерен C70 g: аморфный углерод, h: углеродная нанотрубка

Например, согласно оценкам фирмы "Cientifica", производство УНТ в 2010 г. составило несколько сотен тонн, а объем продаж – превысил 3 млрд. евро.

гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла.

Novoselov) (1974,Нижний Тагил, МФТИ, ИПТМ)
University of Manchester
«Прорывные» эксперименты в двумерном материале графене     

Нобелевская премия по физике 2010 г.

простых треугольных решеток Бравэ, образованных атомами А и В

на графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и отщепляют раз за разом создавая достаточно тонкие слои (среди многих плёнок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм).

Скотч отрывает графитные слои, оставляя абсолютно гладкую поверхность. Ленту выбрасывают вместе с тем, что к ней прилипло. «За то, что мы ее подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists — мусорными учеными».

(например, подвижность) при миниатюризации не улучшаются, а ухудшаются!

- Кремниевая КМОП технология до сих пор развивалась, главным образом, за счет экстенсивного фактора , т.е. за счет уменьшения размеров элементов.

Экстенсивные и интенсивные факторы развития кремниевой микроэлектроники:

- Борьба за увеличение подвижности (напряженный кремний, сплавы кремний-германий и т.п.) – дорогостоящее усложнение технологии и незначительный эффект ( в пределах 10…30% увеличения подвижности)

Графен дает увеличение подвижности в десятки, и возможно даже в сотни раз!

пластик, отдающий водород при повышенной температуре.

ГРАФАН (С-H) – полупроводник, образующийся за счет насыщения связей углерода водородом

СОЗДАНИЕ «РОДНЫХ» ИЗОЛЯТОРОВ ЗА СЧЕТ ПАССИВАЦИИ БОЛТАЮЩИХСЯ ПИ-СВЯЗЕЙ УГЛЕРОДА В ГРАФЕНЕ

~ 3 эВ,
- Удельное сопротивление 1012 Ом на квадрат
-Термическая и механическая стабильность

Возможность создания искусственных барьеров в рамках единой технологии открывает дополнительные возможности!

и в Si МОПТ)
Утверждают, что технология позволяет снизить длину канала до 1нм!
Предел Si КМОП ~ 5 нм (лет через 15-20)

Ограничение тока в одном монослое дает возможность улучшить электростатическое качество

нм (1 атомный слой)
Плотность– 0.77 мг/м2. Гамак из графена площадью 1 м2 весил бы 77 мг.







Практически прозрачен и потому не имеет цвета.
Обладает прочностью на разрыв 42 Н/м, в 100 раз прочнее стали такой же толщины. Упомянутый гамак выдержал бы 4 кг и был бы при этом невидимым. Весил бы гамак как один ус кошки.
Сопротивление гамака составило бы 31 Ом. Проводимость графена выше проводимости меди!
Теплопроводность графена в 10 раз выше, чем у меди.
Доля поглощенного света в широком интервале не зависит от длины волны
Нулевая масса носителей заряда графена обусловливает их исключительно высокую подвижность (сотни тысяч см2 /(В с) – параметр, характеризующий пригодность материала для применения в современной электронике.
Максимальная длина свободного пробега при Т=300К : около микрона.
Индуцированная затвором концентрация электронов или дырок до 1014 см-2

Свойства графена

образованию двух энергетических зон и двух "конических" точек на уровне нулевого заряда носителей К и К’, в которых валентная зона и зона проводимости соприкасаются. В результате носители заряда в графене ведут себя как фотоны, или безмассовые квазичастицы с постоянной "эффективной" скоростью света (скоростью Ферми) νF ≈ 106 м/с. При этом электроны и дырки являются фермионами, т.е. частицами с полуцелым значением спина, и они заряжены. В настоящее время аналогов для таких безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Зонная структура графена

НЕОБЫЧНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НОСИТЕЛЕЙ В ГРАФЕНЕ

1. В графене у носителя нет массы! (псевдорелятивистская динамика)

2. Скорость носителей в графене постоянна

3. Величина импульса носителя в графене не связана со скоростью, а только с его энергий (как у фотона)

ЗОНЫ

ЛИНЕЙНЫЙ СПЕКТР

релятивистских частиц известно в КЭД как парадокс Клейна

В графене этот эффект эквивалентен межзонному зинеровскому туннелированию в полупроводнике с нулевой шириной запрещенной зоны

PN переход в графене – это РЕЗИСТОР!

ВАХ PN переходов

НЕВОЗМОЖНО СОЗДАТЬ В ГРАФЕНЕ PN ПЕРЕХОД, БЛОКИРУЮЩИЙ ТОК !

Ток в графеновом PN-переходе эквивалентен аннигиляции (прямое смещение) и генерации (обратное смещение) электронно-дырочных пар

Парадо́кс Кле́йна в графе́не — прохождение любых потенциальных барьеров без обратного рассеяния под прямым углом. Эффект связан с тем, что спектр носителей тока в графене линейный и квазичастицы подчиняются уравнению Дирака для графена.

при нулевом затворном напряжении – малое отношение токов в открытом и закрытом состоянии (Ion/Ioff < 10)

Непосредственно графен не может быть использован в полевых транзисторах – необходимо индуцировать запрещенную зону

Как это можно сделать?

Графен – это почти металл!

~10 нм имеют запрещенную зону > 0.1 эВ (благодаря поперечному квантованию), что позволяет увеличить отношение токов Ion/Ioff до значений, >103 ! Уже лента – шире запрещенная зона.
Возможность получения лент графена с металлическими свойствами позволит отказаться от применения проводников в наносхемах. Это устраняет главное препятствие для применения в электронных схемах углеродных нанотрубок, сопротивление которых при присоединении металлических проводников существенно повышается.

особенно с хорошей воспроизводимостью параметров
Подвижность в ГНЛ резко падает из-за рассеяния на несовершенных границах

массы
Появляется возможность индуцировать запрещенную зону с помощью внешнего электрического поля.
Проблема: Фиксированное внешнее электрическое поле затрудняет электростатическую модуляцию тока, лежащую в основе всех полевых приборов

выращенной на (000-1)SiC (C-грань)

Расчет энергии в однослойном (точки), двухслойном (пунктир) и «сложенном» графене (линия) из PRL, 100,125504(2008)

графена на подложке с близкой симметрией ( например, гексагональная решетка нитрида бора) оказываются в разном окружении, что теоретически может привести к появлению щели в энергетическом спектре графена

Проблема: Экспериментальная ситуация противоречивая.
Похоже, по каким-то причинам это сделать , по крайней мере, сложно.

ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ПРОТЯЖЕННОГО ГРАФЕНА ДЕЛАЕТ ПРАКТИЧЕСКИ НЕВОЗМОЖНЫМ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В КЛАССИЧЕСКИХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

НО ЕСТЬ ЕЩЕ АНАЛОГОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА,
В КОТОРОЙ БЛОКИРОВКА ТОКА НЕ ИГРАЕТ СУЩЕСТВЕННОЙ РОЛИ

выходе (на стоке) транзистора

Пороговая частота (частота отсечки) , соответствует единичному усилению

С ростом частоты входного сигнала усиление падает

В аналоговых усилителях можно использовать основное практическое преимущество графена – высокую подвижность!!!

появления гражданского рынка мобильной связи

После 2000 г: Активное развитие кремниевых КНИ ВЧ техники. Достижение уровня 500 МГц ( для длин канала 90 нм) – нелинейности из-за короткоканальности и возрастание роли паразитных элементов

2005 : появление графена (на порядок более высокая подвижность)

2010 Samsung и IBM (MIT) – 230 ГГц для L =240 нм – лучший показатель для такой длина канала среди приборов всех типов!!!

ВЧ ЭЛЕКТРОНИКА – ТРАДИЦИОННАЯ ВОТЧИНА ВОЕННЫХ

СВЯЗИ»

CERA (CARBON ELECTRONICS FOR RF APPLICATIONS)

Разработка ИС для ВЧ связи, основанных на углеродных (графеновых) технологиях.
Программа, поддерживаемая правительственным военным агентством DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), ставит своей целью создание графеноэлектронных средств с беспрецедентными характеристиками для широкополосной связи, радарных систем и т.п.
Ключевым элементом программы является создание ультра-быстродействующего графенового полевого транзистора, позволяющего разрабатывать широкополосные (> 90 ГГц) малошумящие и малопотребляющие усилители.
Подчеркивается особая роль графена, как наиболее перспективного кандидата для создания военных систем связи следующего поколения. Программа CERA стартовала в июле 2008 года и ее завершение ожидается в 2013.

ГРУПП (обе финансируются военными)

HRL Laboratories (родственная Boeing и NRL) в Калифорнии
IBM T. J. Watson Research Center

Планарная технология HRL:

Возгонка атомов кремния при 1200 °C с поверхности SiC c последующей рекристаллизацией сотовой структуры графена
Нанесение тонкого изолятора (Al2O3 или HfO2 для создания верхнего затвора
Максимальная частота – 14 ГГц при длине затвора 2 мкм

ЭТО РЕЗУЛЬТАТЫ 2008 г.!

транзистора (GFET), работающего в гигагерцевом диапазоне. Транзистор был изготовлен на основе наноленты графена шириной 20 нм с помощью метода механического отслаивания чешуек графита и размещения их на слое термического оксида кремния толщиной 300 нм, нанесенного на высокоомную кремниевую подложку (>10 кОм·см). Электродами стока и истока служили 10 нм/50 нм слои Pd/Au, которые наносились поверх слоя титана толщиной 1 нм, выполняющего роль адгезива. Изолятором затвора служила пленка оксида алюминия толщиной 12 нм, осажденная методом атомно-слоевой эпитаксии при температуре 250°С. Электроды формировались с помощью электронно-лучевой литографии и взрывного травления. Электроды истока перекрывали всю графеновую чешуйку, чтобы минимизировать неопределенность при ее извлечении для измерения S-параметров транзистора. Расстояние между электродами истока и стока составляло 500 нм, верхний затвор длиной LG полностью не перекрывал это расстояние. Ширина затвора (или ширина обоих каналов) составляла ~40 мкм.

et al.
Nature 438 (2005) 04233

Эффект поля: положительное смещение на затворе индуцирует в графене электроны, отрицательные - дырки

Точка электронейтральности

В точке электронейтральности не очень большое сопротивление (~ нескольких кОм на квадрат), что плохо для цифровых транзисторов!

Квантовые эффекты затрудняют применение в электронике графеновых полевых структур

затвором для управления проводимостью канала. Предполагается, что хорошая проводимость графена поможет создать транзисторы с высокой подвижностью носителей и по этому показателю превзойти подвижность в полевых транзисторах на основе кремниевых технологий.

графен – изолятор – затвор
Учет роли поверхностных состояний и квантовой емкости
Модель ВАХ графенового транзистора
Малосигнальные емкостные характеристики графеновых ПТ
Частота отсечки ВЧ транзистора

Особенности:
специфика и невозможность использовать результаты для Si MOSFET
почти полное отсутствие теоретических работ по этим темам ;
очень малое количество экспериментальных работ по измерениям полной ВАХ (< 10);

(Vg > 0)

и границе раздела – основной бич всех полевых структур

Джон Бардин в 1939 г. впервые осознал, что перезаряжающиеся дефекты на поверхности полупроводника препятствуют проникновению электрического поля в его объем.

По этой причине тривиальный МОП транзистор был впервые изготовлен в 1960 году, в то время как гораздо менее тривиальный биполярный транзистор в 1948 г.

Проблема ПС практически решена в современной Si КМОП технологии (за технологической счет минимизации )

В графеновой электронике она еще только осознается!

перезарядка поверхностных состояний «графен – изолятор»

Учет поверхностных состояния (емкостей) – необходимое условие правильного описания электростатики всех полевых приборов!

можно использовать и в качестве основы для высокоскоростных устройств хранения информации.
Достоинствами графеновой памяти станут: высочайшая скорость передачи информации и гораздо более высокая плотность размещения данных, нежели достигается в случае привычной магнитной памяти, используемой сегодня в случае жестких дисков. В случае же магнитных дисков используется намагничивание доменов в одном из двух направлений, одно из которых выбрано за «единицу», а второе за «ноль». В случае памяти на основе графена используется изменение такой характеристики материала, как проводимость/сопротивление.

на кремнии. Такие транзисторы востребованы, например. в приемниках и передатчиках для мобильной связи.
Компьютерные чипы станут более быстрыми, с меньшим потреблением энергии.
Мониторы для компьютеров могут быть тонкими как бумага и сворачиваться в рулон.
Графен поглощает только 2% света, и в нем заинтересованы производители дисплеев и солнечных батарей, которым важно получить проводящий слой максимальной прозрачности.
Пластмасса начинает проводить ток, если содержит более 1% графена.
Уже используется в микробиологии и биохимии как подложка для электронной микроскопии белков, которая обладает сразу несколькими ценными качествами: слабо поглощает электроны, проводит электрический ток и не искажает форму белковой молекулы.
Токопроводящая краска, «чернила», позволяющие печатать электронные схемы.

Электронные платежи

Сенсорные экраны, микроэлектроника

Композитные материалы

Планшетные компьютеры

Солнечные элементы

Часы, календари

Гибкие световые панели

Мобильные телефоны

самолетов и спутников;
Замена кремния в транзисторах;
Внедрение в пластмассу, с целью придания ей электропроводности;
Датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы;
Оптоэлектроника;
Предметные стекла для электронных микроскопов;
Изготовление бинтов и пластырей из оксида графена;
Прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов;
Более устойчивые к механическому воздействию медицинские имплантаты;
Улучшение проводимости материалов;
Высокомощные высокочастотные электронные устройства;
Использование в сенсорных экранах, в ЖКД (жидкокристаллические дисплеи).

вселенной, нет препятствий к тому, чтобы сделать подобные тонкие материалы из других атомов. Их свойства также абсолютно не изучены, можно быть уверенным только в том, что они интересны…»

К.Новоселов, лауреат Нобелевской премии

температуре на серебряной подложке размером 6,2 × 6,2 нм. b) изображение решетки силиценовых полосок с шагом приблизительно 2 нм. Размер изображения 22 × 20 нм. Все картинки получены с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Рис. из статьи A. Kara, C. Léandri, M. E. Dávila, P. de Padova, B. Ealet, H. Oughaddou, B. Aufray, G. Le Lay (2008)

монослоя дисульфида молибдена шириной 0.5 нм:

Ширина запрещенной зоны --- 1.8 эВ
Подвижность --- 200 (не хуже, чем в кремниевых МОПТ)
On/off --- 100 000 000 ! (лучше, чем в кремниевых МОПТ)
УЖЕ очень неплохо…

Возможно графен, - первый, но не лучший с точки зрения применений в электронике в целом классе новых монослойных материалов…