日本東北大學(xué)宣布，其研究人員開發(fā)出了溝道層使用新型碳材料——石墨烯晶體管，導(dǎo)通/截止比達(dá)到104以上。石墨烯一般沒有帶隙，因此即使制成晶體管也無法關(guān)閉，導(dǎo)通/截止比非常小。東北大學(xué)通過此次的技術(shù)開發(fā)解決了這一課題，而且還可實現(xiàn)超過當(dāng)前硅半導(dǎo)體技術(shù)的晶體管高集成化。詳細(xì)介紹該技術(shù)的論文已刊登在2012年9月9日發(fā)行的學(xué)術(shù)雜志《Nature Nanotechnology》上。

　　此次的技術(shù)是由日本東北大學(xué)研究生院工學(xué)研究科名譽教授畠山力三及其助教加藤俊顯開發(fā)的。之所以能夠用沒有帶隙的石墨烯獲得高導(dǎo)通/截止比，是因為成功地將溝道層的石墨烯合成為被稱為“納米帶（Nanoribbon）”的細(xì)帶形狀。將石墨烯制成細(xì)帶狀就會產(chǎn)生帶隙，因此才有可能用作邏輯電路的晶體管。

　　此次試制的石墨烯納米帶晶體管的溝道長度約為500nm，導(dǎo)通/截止比為104以上，載流子遷移率約為40cm2/Vs。與原來的石墨烯晶體管相比，導(dǎo)通/截止比實現(xiàn)飛躍性提高。“將來有望微細(xì)化至溝道寬數(shù)nm、溝道長數(shù)十nm的級別”。

　　在Ni熔化前形成石墨烯

　　實現(xiàn)上述性能指標(biāo)的晶體管制造工藝采用的是“急速加熱擴散等離子體化學(xué)氣相沉積（CVD）法”。具體步驟如下：首先在SOI（Si-on- Insulator）基板上用鎳（Ni）薄膜形成源/漏電極和溝道層的圖案。溝道層部分制成被稱為“Ni納米條”的納米帶形狀。然后，在1分鐘內(nèi)將溫度提高至900～1000℃，同時使用等離子體CVD法，以甲烷（CH4）氣體為基礎(chǔ)，在Ni納米條上形成石墨烯。據(jù)介紹，通過控制Ni納米條的形狀，可形成任意形狀的石墨烯納米帶。

　　據(jù)東北大學(xué)的加藤介紹，此次技術(shù)的關(guān)鍵點是制造過程中的“急速加熱”和“擴散等離子體”這兩個工序。Ni可作為形成石墨烯的催化劑，這一早已為人所知。而且，以前也有研究人員曾嘗試將Ni制成納米帶狀，并在上面合成石墨烯。但是，這一嘗試并未得到滿意的結(jié)果。其原因在于，近1000℃的高溫工藝會使 Ni納米條熔化或升華，將其破壞。

　　因此，此次通過急速加熱和冷卻，并用等離子體使CH4具有高催化活性，提高了石墨烯的合成速度，從而在Ni納米條遭到破壞前就合成了石墨烯。這才為實現(xiàn)突破帶來了機會。

　　石墨烯量子點或為帶隙的形成做出了貢獻(xiàn)

　　在石墨烯納米帶理論中，石墨烯邊緣的形狀左右著帶隙的有無及大小。以前也有觀點認(rèn)為，必須要以1個原子為單位制作邊緣形狀，否則很難將石墨烯納米帶用于晶體管。

　　但據(jù)加藤介紹，此次開發(fā)的技術(shù)中，“由于一個原子一個原子地制作邊緣形狀非常難，采用的是將多種邊緣形狀隨機混合在一起的方式”。在該技術(shù)中，帶隙主要是由納米帶的寬度來決定的。

　　加藤介紹說，不控制邊緣形狀也形成了帶隙的原因可能在于，獲得的帶隙嚴(yán)格來說是一種“傳輸帶隙”，而非半導(dǎo)體理論上的帶隙。這是在合成的石墨烯納米帶上，由圓形的“石墨烯量子點”與納米帶組合時出現(xiàn)的帶隙。

　　可以說，不控制邊緣形狀也可獲得帶隙的成果是石墨烯納米帶晶體管在實用化方面的一大進(jìn)步。