世界初のグラフェン半導体がネイチャー誌に掲載され、中国チームがムーアの法則の寿命を10年延長しました！

シリコンはすべての電子機器の終焉をもたらすのか？

この記録はグラフェンによって破られました!

天津大学とジョージア工科大学の研究者らが、グラフェンでできた世界初の機能性半導体を開発した。

チームの画期的な進歩により、新たな電子製品への扉が開かれました。この研究はネイチャー誌に掲載されました。

論文アドレス: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06811-0

この研究は、長らくグラフェンエレクトロニクスの発展を妨げてきた重要な技術的困難を克服し、グラフェンのバンドギャップを広げ、「0」から「1」へのブレークスルーを達成しました。

一部のネットユーザーは「これはまさにエレクトロニクス革命の引き金となった。エピタキシャルグラフェンの画期的な進歩により、「ムーアの法則」の寿命が数十年延びる可能性がある」と叫んだ。

結局のところ、シリコンは始まりに過ぎないのです。

この発見はコンピューティングとエレクトロニクスを永遠に変える可能性がある。

グラフェン研究における何十年にもわたる障害は克服された

半導体は、特定の条件下で電気を伝導する材料であり、電子機器の基本的な構成要素です。

チームの発見は、シリコンの性能が限界に達しつつある時期に起こった。

かつて、シリコンはほぼすべての現代の電子製品の原材料でしたが、コンピューティングの高速化と電子デバイスの小型化により、このルートはますます広範囲に及んでいます。

NvidiaのCEOであるHuang氏は、ムーアの法則は死んだとよく言っている。

この時、グラフェンが大きく登場しました！

グラフェンは、知られている中で最も強力な結合によって結合された炭素原子の単一シートです。

天然グラフェンは半導体でも金属でもなく、半金属であることを知っておく必要があります。

しかし、ジョージア工科大学の物理学教授、ウォルター・デ・ヒア氏が率いるチームは、従来のマイクロエレクトロニクス処理方法と互換性のあるグラフェン半導体を開発した。

したがって、この半導体はシリコンの代替品となり得ます。

なぜこれまでシリコンの代わりにグラフェンを使うことを考えた人がいなかったのでしょうか?

なぜなら、何十年もの間、グラフェン研究を悩ませてきた最大の障害の一つは、グラフェンは半導体として使用できないと固く信じている人が多かったからだ。

問題は、グラフェンに「バンドギャップ」がないことです。

この時点で、励起された電子は 1 つのエネルギー バンドから別のエネルギー バンドにジャンプすることができます。これにより、電流のオン/オフが効果的に行われ、電気の伝導が制御され、デジタル コンピューターで使用される 0 と 1 の 2 進システムが作成されます。

導体、半導体、絶縁体のバンドギャップの大きさの違いを示すバンドギャップ図

この障害は、デ・ヒアー教授と彼のチームによって克服されました。

デ・ヒア教授は「今やシリコンの10倍の移動度とシリコンにはないユニークな特性を持つ非常に強力なグラフェン半導体が誕生した」と語った。

「しかし、過去10年間、私たちが毎日頭を悩ませてきたのは、グラフェン材料をより良くし、半導体に変えることができるかどうかということだ。」

20年前、彼はグラフェンの可能性を知っていた

グラフェンは、2010年に2人のイギリス人科学者が透明テープを手で引き裂いてノーベル賞を受賞したという話で有名になりました。

しかしそれ以前にも、多くの人がグラフェンのエレクトロニクス分野における可能性を信じていました。

グラフェンはシート状に積み重ねると、ユニークな特性を持つ結晶性の透明な構造を形成するため、「奇跡の素材」と呼ばれています。

グラフェンは知られている中で最も薄くて軽い素材の一つで、ダイヤモンドよりも硬く、構造用鋼の約100～300倍の強度があると推定されています。

グラフェン1平方メートルの重さはわずか0.0077グラムですが、最大4キログラムの重量を支えることができます。また、長さの 20% まで曲げても壊れません。

グラフェンの炭素原子のハニカム配列は、電子の自由な動きを促進します。超高キャリア移動度により、電子は非常に高速に走行でき、タッチスクリーン、ステルス航空機など、多くのクールなSF材料特性を実現します。

デ・ヒアー教授はキャリアの早い段階で、炭素ベースの材料が半導体として利用できる可能性を研究し始め、2001 年に 2 次元グラフェンに注目しました。

研究チームは、グラフェンの3つの特性、1. 強度、2. 大電流の処理、3. 加熱や分離なしで動作を電子製品に導入したいと考えています。

実験中、研究チームは特殊な炉を使ってシリコンカーバイドウエハー上にグラフェンを成長させるというアイデアを思いついた。

彼らは期待していた画期的な成果を達成し、炭化ケイ素結晶の表面に成長したエピタキシャルグラフェンの単層を生成しました。

彼らは、製造方法が正しければ、エピタキシャルグラフェンがシリコンカーバイドと化学的に結合し、半導体の特性を示し始めることを発見した。

その後 10 年間、ジョージア工科大学のチームは天津大学のナノ粒子およびナノシステムに関する天津国際研究センターと協力しながら、この材料の研究を続けました。

TICNNディレクター 馬磊

重要なブレークスルー：シリコンの10倍の移動度を持つ電子をシステムに「寄付」する

自然条件下では、グラフェンは半導体でも金属でもなく、半金属です。

バンドギャップとは、電界が加わると開いたり閉じたりできる材料です。すべてのトランジスタとシリコン電子デバイスはこの動作原理に依存しています。

グラフェンエレクトロニクス研究における主な課題は、グラフェンがシリコンのように機能できるようにバンドギャップをどのように開閉するかということです。

しかし、機能的なトランジスタを作りたい場合、半導体材料の大部分を制御可能にする必要があり、それによってグラフェンの特性が損なわれる可能性があります。

グラフェンが半導体として機能できることを証明するために、研究チームはグラフェンを損傷することなくその電子特性を測定する必要があった。

研究者らは、グラフェン上に原子を配置して、システムに電子を「提供」した。これは、材料が良導体であるかどうかを確認するために使用される「ドーピング」と呼ばれる技術である。この方法では、グラフェンの材料や特性を損傷する必要がありません。

研究者らは加熱したシリコンカーバイドウエハーを使用し、炭素よりも先にシリコンを蒸発させ、実質的に表面にグラフェンの層を残した。

結果は、グラフェン半導体の移動度がシリコンの10倍高いことを示しています。

電子は極めて低い抵抗で移動できるため、電子機器の計算速度が向上します。

「高速道路ではなく砂利道を運転しているようなものです。効率が良く、熱くなりすぎず、速度も速いので、電子が素早く移動できます」とデ・ヒアー教授は説明する。

このグラフェン製品は現在、ナノエレクトロニクスに必要な特性を備えた唯一の二次元半導体であり、その電子性能は現在開発中の他の二次元半導体よりもはるかに優れています。

天津国際ナノ粒子・ナノシステム研究センター所長であり、論文の共著者でもある馬磊氏は次のように述べた。

グラフェンエレクトロニクスの長年の問題は、グラフェンが適切な比率でオンとオフを切り替えるのに適切なバンドギャップを持っていないことです。当社の技術は、グラフェンベースのエレクトロニクスを実現するための最も重要なステップであるバンドギャップを実現します。

ライト兄弟の瞬間

このエピタキシャルグラフェンは、エレクトロニクスの分野でパラダイムシフトを引き起こし、多くの新しい技術を生み出す可能性があります。

これにより、電子の量子力学的波動特性を活用できるようになるが、これはまさに量子コンピューティングに必要なことである。

デ・ヒア教授の予測によれば、次世代の電子製品が期待できる。シリコンが登場する前は真空管があり、その前は電線と電信がありました。

エレクトロニクスの歴史において、シリコンは一時期の形態に過ぎず、次のステップはおそらくグラフェンになるでしょう。

デ・ヒア教授は、それは彼にとって「ライト兄弟」のような瞬間だったと語った。

ライト兄弟は300フィートの高さまで飛行できる飛行機を製作した。懐疑論者はこう尋ねる。「世界にはすでに列車や船があるのに、なぜ飛行機が必要なのか？」しかし彼らは粘り強く努力し、それ以来、飛行機は人々を海を越えて運ぶことができるようになりました。

超高移動度半導体

グラフェンには固有のバンドギャップがありません。過去 20 年間、量子閉じ込めや化学機能化によってバンドギャップを修正する試みは成功していません。

この研究で研究者らは、単結晶シリコンカーバイド基板上の半導体エピタキシャルグラフェン（SEG）が0.6eVのバンドギャップを持ち、室温で5000以上の移動度を達成することを実証した。これはシリコンの10倍、他の2次元半導体の20倍の大きさである。

——つまり、実用的な半導体グラフェンが誕生したのです。

シリコンカーバイド結晶の表面からシリコンが蒸発すると、炭素を多く含む表面が結晶化してグラフェン多層膜が生成されます。 SiC のシリコン終端面上に形成される最初のグラフェン層は、SiC 表面に部分的に共有結合した絶縁エピ層です。

バッファ層の分光測定では半導体特性が示されていますが、この層の移動度は無秩序性のために制限されています。

ここで研究者らは、SEG 格子が SiC 基板と揃った状態で、マクロ的に原子的に平坦なテラス上に SEG (つまり、整列したバッファ層) を生成する準平衡アニーリング法を実証しています。

SEG は化学的、機械的、熱的に堅牢であり、従来の半導体製造技術を使用してパターン化でき、半金属グラフェン表面にシームレスに接続できます。これらの基本的な特性により、SEG はナノエレクトロニクスに適しています。

SEGの誕生

次の図 (a) および (b) に示すように、従来のエピタキシャル オレフィンおよびバッファ層は、密閉式制御昇華 (CCS) 炉で成長します。この炉では、3.5 mm × 4.5 mm の半絶縁性 SiC チップが円筒形のグラファイトるつぼ内で 1 bar の Ar 中で 1300 °C ～ 1600 °C の温度範囲でアニールされます (次の図 (c) を参照)。

るつぼは、高周波源によってコイルに誘導される渦電流によって加熱されます。るつぼには小さな漏れがあり、るつぼからシリコンが漏れる速度によって、表面にグラフェンが形成される速度が決まります。したがって、成長温度とグラフェンの形成速度が制御されます。

2 つのチップは、下側のチップ (ソース) の C 面が上側のチップ (シード) の Si 面と向き合うように積み重ねられます。

高温では、チップ間の温度差が小さいため、下部チップから上部チップへの正味の質量フローが生じ、シードチップ上に大きなテラスが徐々に成長し、その上に均一な SEG フィルムが形成されます。

SEG は 3 段階で成長します。

最初の段階では、チップを真空中で約 25 分間 900°C に加熱して表面を洗浄します。

第 2 段階では、サンプルを 1 bar の Ar 中で約 25 分間 1,300 °C に加熱し、ステップ幅が約 0.2 μm の規則的な 2 層 SiC ステップ アレイを生成しました。

第 3 段階では、SEG コーティング テラスが Ar 中で 1600°C、1 bar で成長します。この段階では、ステップ バンチングとステップ フローによって原子レベルで平坦な大きなテラスが生成され、C 面と Si 面の間に確立された準平衡条件下でバッファ層が成長します。

このプロセスで最も重要なパラメータは、温度 T、チップ間の温度差 ΔT、およびアニーリング時間 t です。アニーリング時間 t は、T = 1600～1700°C の場合、通常 1～2 時間です。温度差 ΔT はるつぼの設計に依存し、2 つのチップ間の十分な質量移動に必要な蒸気圧差を提供するために約 10°C になると推定されます。

SEG 特性

下の図(a)は、3.5 mm × 4.5 mmのウェーハの複合電子顕微鏡(SEM)画像を示しています。

SEM は、SiC (白い領域) と SEG (灰色の領域) の間に鮮明なコントラストが得られるように調整されました。表面の約80％がSEGで覆われています。グラフェンは暗い斑点として現れます (ここで見られる黒い点は塵の粒子です)。段差のない最大領域は約0.5mm×0.3mmです。

図（b）は走査トンネル顕微鏡（STM）を用いたSEGの低温原子分解能画像です。

STM 画像は、超周期構造 (赤いダイヤモンドと紫の六角形) によって空間的に変調されたグラフェン ハニカム格子 (緑) を示しています。これは、基板との部分的な共有結合による約 100 pm の SEG 高さ変調に相当します。

低エネルギー電子回折 (LEED) を使用して SEG を識別し、それらの SiC 基板への原子の登録を検証しました。

上の図 (c) は、SEG 格子の特徴的な 6√3×6√3 R30° 回折パターン (LEED) であり、SEG のグラフェン結晶構造と、SiC 基板原子に対する SEG の結晶配置を示しています。従来の方法で製造されたバッファ層サンプルにはグラフェンの痕跡は多くありませんでした。

図 (d) は、1 μm の解像度で 50 μm × 50 μm の領域をラマン画像で示したものです。ラマン分光法 (1～100 μm) はグラフェンと SEG に対して非常に敏感です。グラフェンの痕跡は、強い特徴的な 2D ピークによって簡単に識別できます。結果は、表面にグラフェンが存在しないことを示しています。

図(e)はSEGの低温STS像を示しており、SEGの状態密度(DOS)をフェルミエネルギーの関数としてマッピングしています。画像には 0.6 eV の明確なバンドギャップが示されています。

SEG伝送特性

図(a)は、サンプルの導電率が温度の上昇とともに単調に増加することを示しています。室温の導電率は 1e-3 S ～ 8e-3 S の範囲で、抵抗率 ρ は 125Ω ～ 330Ω に相当します。低温値は最大1000分の1まで低減できます。

図 (b) は電荷密度を示しています。STS 測定では、SEG は本質的に電荷中性であることが示されており、帯電は周囲のガス (微量の揮発性有機化合物を含む) とリソグラフィ処理の残留抵抗によって発生します。

図（d）は、温度の上昇とともに材料の移動度が増加し、より高い温度では飽和する傾向があることを示しています。測定された最大移動度は 5500 でした。

室温での SEG 伝導率、電荷密度、移動度はすべて、エピタキシャルオレフィンの標準的な範囲内です。しかし、温度依存性は、深いボディ相を持つドープ半導体の場合と同様です。

測定された半導体と DOS から、電界効果トランジスタの応答を予測できます。

図 (a) は、計算された DOS を使用して予測された SEG チャネル抵抗率を示しています。理想的な誘電体と 4000 の SEG 移動度を想定すると、予測される室温のオン/オフ比は 1e6 を超えます。

図(b)は電荷密度とフェルミエネルギーの関係を示しています。 T = 300K では、N ブランチと P ブランチのオン状態電圧はそれぞれ +0.34V と -0.23V になると予想されます。