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日本开发出导通截止比为1万的石墨烯FET，有望用于逻辑电路 |
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| http://cn.newmaker.com
9/19/2012 8:45:00 AM
日经BP社
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日本东北大学宣布，其研究人员开发出了沟道层使用新型碳材料——石墨烯晶体管，导通/截止比达到104以上。石墨烯一般没有带隙，因此即使制成晶体管也无法关闭，导通/截止比非常小。东北大学通过此次的技术开发解决了这一课题，而且还可实现超过当前硅半导体技术的晶体管高集成化。详细介绍该技术的论文已刊登在2012年9月9日发行的学术杂志《Nature Nanotechnology》上。
此次的技术是由日本东北大学研究生院工学研究科名誉教授畠山力三及其助教加藤俊显开发的。之所以能够用没有带隙的石墨烯获得高导通/截止比，是因为成功地将沟道层的石墨烯合成为被称为“纳米带（Nanoribbon）”的细带形状。将石墨烯制成细带状就会产生带隙，因此才有可能用作逻辑电路的晶体管。
此次试制的石墨烯纳米带晶体管的沟道长度约为500nm，导通/截止比为104以上，载流子迁移率约为40cm2/Vs。与原来的石墨烯晶体管相比，导通/截止比实现飞跃性提高。“将来有望微细化至沟道宽数nm、沟道长数十nm的级别”（加藤）。
在Ni熔化前形成石墨烯
实现上述性能指标的晶体管制造工艺采用的是“急速加热扩散等离子体化学气相沉积（CVD）法”。具体步骤如下：首先在SOI（Si-on-Insulator）基板上用镍（Ni）薄膜形成源/漏电极和沟道层的图案。沟道层部分制成被称为“Ni纳米条”的纳米带形状。然后，在1分钟内将温度提高至900～1000℃，同时使用等离子体CVD法，以甲烷（CH4）气体为基础，在Ni纳米条上形成石墨烯。据介绍，通过控制Ni纳米条的形状，可形成任意形状的石墨烯纳米带。
据东北大学的加藤介绍，此次技术的关键点是制造过程中的“急速加热”和“扩散等离子体”这两个工序。Ni可作为形成石墨烯的催化剂，这一早已为人所知。而且，以前也有研究人员曾尝试将Ni制成纳米带状，并在上面合成石墨烯。但是，这一尝试并未得到满意的结果。其原因在于，近1000℃的高温工艺会使Ni纳米条熔化或升华，将其破坏。
因此，此次通过急速加热和冷却，并用等离子体使CH4具有高催化活性，提高了石墨烯的合成速度，从而在Ni纳米条遭到破坏前就合成了石墨烯。这才为实现突破带来了机会。
石墨烯量子点或为带隙的形成做出了贡献
在石墨烯纳米带理论中，石墨烯边缘的形状左右着带隙的有无及大小。以前也有观点认为，必须要以1个原子为单位制作边缘形状，否则很难将石墨烯纳米带用于晶体管。
但据加藤介绍，此次开发的技术中，“由于一个原子一个原子地制作边缘形状非常难，采用的是将多种边缘形状随机混合在一起的方式”。在该技术中，带隙主要是由纳米带的宽度来决定的。
加藤介绍说，不控制边缘形状也形成了带隙的原因可能在于，获得的带隙严格来说是一种“传输带隙”，而非半导体理论上的带隙。这是在合成的石墨烯纳米带上，由圆形的“石墨烯量子点”与纳米带组合时出现的带隙。
可以说，不控制边缘形状也可获得带隙的成果是石墨烯纳米带晶体管在实用化方面的一大进步。（记者：野泽哲生，《日经电子》）
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