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《美国和加拿大合作研制出新型薄膜半导体、电子迁移率创下新纪录》

  • 来源专题：集成电路与量子信息
  • 发布时间：2024-08-05

  • (Bi,Sb)2(Te,Se)3辉碲铋矿（tetradymite）材料是热电能量转换最有效的材料之一，也是拓扑绝缘体自旋电子技术中最坚固的材料，但应具有不同的掺杂特性以适用于任何一种技术。

    美国陆军作战能力发展司令部（DEVCOM）陆军研究实验室、俄亥俄州立大学、麻省理工学院和加拿大渥太华大学的研究人员，利用三元辉碲铋矿（tetradymite）晶体材料，通过分子束外延工艺成功研制出一种新型超薄晶体薄膜半导体。薄膜厚度仅100纳米，其电子迁移速度创下新纪录，约为传统半导体的7倍。这一成果有助科学家研制新型高效电子设备。

    研究人员向这种薄膜半导体施加电流时，电子以10000平方厘米/伏秒的破纪录速度迁移。相比之下，在标准硅半导体内，电子的迁移速度通常约为1400平方厘米/伏秒；在传统铜线中则更慢。研究人员认为，这有助于研制更高效、更可持续的电子设备。

    研究团队同时指出，即使材料中最微小的瑕疵也会阻碍电子运动，从而影响电子迁移率。未来希望进一步改进制作过程，进一步降低薄膜厚度，从而更好地应用于未来的自旋电子设备和可将废热转化为电能的可穿戴热电设备。

    论文信息：Patrick J. Taylor, Brandi L. Wooten, Owen A. Vail, et al. Magnetotransport properties of ternary tetradymite films with high mobility[J]. Materials Today Physics, 2024, 101486.



  • 原文来源：https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/kjrd/qtrd_kjrd/202407/t20240718_171838.html
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    • 科技日报北京7月17日电 （记者刘霞）据美国趣味科学网站16日报道，来自美国麻省理工学院、美国陆军作战能力发展司令部（DEVCOM）陆军研究实验室和加拿大渥太华大学等机构的科学家，利用名为三元石英的晶体材料，成功研制出一种新型超薄晶体薄膜半导体。薄膜厚度仅100纳米，约为人头发丝直径的千分之一。其中电子的迁移速度创下新纪录，约为传统半导体的7倍。这一成果有助科学家研制新型高效电子设备。相关论文发表于《今日材料物理学》杂志。 研究论文通讯作者、麻省理工学院的贾加迪什·穆德拉指出，他们通过分子束外延过程制造出了这款薄膜半导体。该过程需要精确控制分子束，逐个原子地构建材料，这样获得的材料瑕疵最小最少，从而实现更高的电子迁移率。 研究人员向这种薄膜半导体施加电流时，记录到电子以10000平方厘米/伏秒的破纪录速度迁移。相比之下，在标准硅半导体内，电子的迁移速度通常约为1400平方厘米/伏秒；在传统铜线中则更慢。 研究人员将这种薄膜半导体比作“不堵车的高速公路”，认为这有助于研制更高效、更可持续的电子设备，如自旋电子设备和可将废热转化为电能的可穿戴热电设备。 研究团队指出，即使材料中最微小的瑕疵也会阻碍电子运动，从而影响电子迁移率。他们希望进一步改进制作过程，让薄膜变得更纤薄，从而更好地应用于未来的自旋电子设备和可穿戴热电设备。 【总编辑圈点】 薄膜半导体由于具有高电子迁移率、可调控的能带结构、优异的光电性能等，在电子器件、光电器件等领域具有广泛的应用前景。人们对薄膜半导体的研究早在20世纪50年代就已开始，迄今已非常成熟。但随着纳米技术和柔性电子技术的大幅进步，以及类似本文中电子迁移率刷新的成果出现，薄膜半导体将迎来质的飞跃。
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    • 编译者：李衍
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    • 自2004年英国曼彻斯特大学的两位物理学家首次从石墨中机械分离出石墨烯以来，石墨烯优异的光学、电学、力学特性在诸多领域展示出诱人的应用前景。在微电子学领域，石墨烯更被视为人类从“硅时代”转变为“碳时代”的关键。然而，要实现这一跨越还有许多需要攻克的关键技术难点，石墨烯的“零带隙”问题为其中一个至关重要的技术难点。在过去二十年里，通过量子限域或化学功能化改变带隙的研究探索，尚未能成功制备出半导体石墨烯。 天津大学和美国佐治亚理工学院的研究团队合作研制出世界上第一个功能性石墨烯半导体，成功突破了石墨烯“零带隙”特性，攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题。研究团队创新性地采用准平衡退火方法，通过严格控制生长环境的温度、时间及气体流量，在碳化硅衬底上实现对外延石墨烯生长过程的精确调控从而形成特定的高度有序结构，从而制备出一种带隙约0.6 eV的新型稳定的半导体石墨烯，室温迁移率为5500 cm2V-1s-1，其高达硅半导体的10倍、其他二维半导体的20倍。以该半导体外延石墨烯制备的场效应晶体管开关比高达104，基本满足了现在的工业化应用需求。相关研究成果以题名“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”发表于Nature期刊。 该研究成果的通讯作者之一、天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心马雷教授认为，如果能够实现半导体石墨烯单晶的大规模生产，将为人类从“硅时代”进入“碳时代”奠定重要基础。目前半导体石墨烯距离实际应用还比较遥远，要完全实现半导体石墨烯的工业应用，取决于其从毫米级单晶生长到英寸级单晶的进程，可能至少还需要持续研究10-15年。 论文信息：Jian Zhao, Peixuan Ji, Yaqi Li, et al. Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide [J]. Nature, 2024, 625:60–65. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06811-0 信息参考链接： http://ticnn.tju.edu.cn/info/1052/1516.htm https://mp.weixin.qq.com/s/w3d8lFpJ0AlDkx-eudXszw http://news.tju.edu.cn/info/1005/69221.htm http://www.tju.edu.cn/info/1182/8852.htm
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