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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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【轉(zhuǎn)帖】充分利用石墨烯及量子點，新一代器件紛紛發(fā)布
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充分利用石墨烯及量子點，新一代器件紛紛發(fā)布 2010/11/19 00:00 打印 E-mail  大阪大學(xué)等試制的金剛石SBD 在2010年9月14～17日于長崎大學(xué)舉行的“2010年秋季第71屆應(yīng)用物理學(xué)會學(xué)術(shù)演講會”上，不基于以往Si電路技術(shù)延伸的全新型電路元件紛紛發(fā)布注1）。具體包括①活性層等利用石墨烯（Graphene）*及碳納米管（CNT），以用于超高速工作及大面積用途為目標(biāo)的晶體管、②低損耗且能夠高溫工作的金剛石二極管、③為實現(xiàn)“光LSI”而輸入輸出光的“光邏輯門”等電路元件。 注1）此外，與太陽能電池相關(guān)的發(fā)布超過150項，呈現(xiàn)出了增加趨勢�！盎衔锾柲茈姵亍狈謺彩状伍_設(shè)。 *石墨烯＝相當(dāng)于石墨中的一層的碳材料。2004年曼徹斯特大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在鉛筆芯使用的石墨上粘貼玻璃紙帶并將其剝下，便可制成石墨烯。最近已發(fā)展到還可利用氣相生長法等進行制造的水平。 在半導(dǎo)體碳材料上取得進展 與石墨烯及CNT相關(guān)的研究發(fā)布包括演講在內(nèi)超過了約130項。特點是其中實際試制晶體管的事例出現(xiàn)劇增（表1）。其背景在于一直被公認(rèn)為無帶隙且具有金屬特性的石墨烯在重疊兩層后會產(chǎn)生帶隙，從而形成半導(dǎo)體注2）。據(jù)悉，如果是單層CNT（SWCNT）的話，已有廠商在分離半導(dǎo)體性SWCNT和金屬性SWCNT的技術(shù)上取得了進展注3）。 注2）其理論從2006年起為人所知，2009年6月出現(xiàn)實際試制事例后，雙層石墨烯立即引起了極大關(guān)注。 注3）由產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所于2009年3月開發(fā)。  此次試制的采用石墨烯及CNT的晶體管，其制造工藝及設(shè)想的用途非常廣泛，這也是特點之一。 比如，早稻田大學(xué)副教授竹延大志等的研究小組以利用卷到卷方式進行制造為目標(biāo)，通過用噴墨法滴落單層CNT，試制出了TFT。而且還在絕緣層材料中使用了離子液體。憑借這些手段，利用與電雙層電容器相同的原理，使晶體管的靜電容量得到了大幅增加。另外，載流子濃度也有所提高，I-V（電流-電壓）特性中普遍存在的特性滯后現(xiàn)象基本消失，并且驅(qū)動TFT時的源極與漏極間電壓VSD也降到了只需-1V的水平。VSD值僅為原來的1/50以下。 索尼發(fā)表了以更簡單地制造石墨烯晶體管為目標(biāo)的技術(shù)。該公司利用通過聚集氧化石墨烯微小片材制成的“一種多結(jié)晶膜”（索尼），試制出了晶體管。 此外，在碳材料這一點上與石墨烯等相同的金剛石半導(dǎo)體的研究發(fā)布也有所增加。比如，大阪大學(xué)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所試制了高速工作的金剛石肖特基勢壘二極管（SBD），并檢測了開關(guān)特性，證實溫度依存性非常小。另外，如何來制造基板也是金剛石半導(dǎo)體的重要課題。在這一方面，產(chǎn)綜研表示“試制出了1英寸的接合狀晶圓”，AGD材料也宣稱“通過外延生長還有望實現(xiàn)2英寸晶圓”。但成本是一大課題。一直在開發(fā)金剛石單結(jié)晶晶圓的EDP指出：“由于結(jié)晶生長較為緩慢，因此2英寸晶圓即使以穩(wěn)定水平進行量產(chǎn)，1張也需要花費數(shù)十萬日元�！� 開發(fā)用光工作的邏輯電路 另一方面，還有研究小組開發(fā)出了不需要Si、甚至連電也不使用的電路元件。東京大學(xué)教授大津元一的研究室、先鋒及信息通信研究機構(gòu)（NICT）試制并發(fā)布了只要輸入光信號，就會在邏輯與及邏輯非運算后輸出光信號的光邏輯門元件。另外，東芝及柯尼卡美能達也參與了研發(fā)，但此次并未共同進行發(fā)布。 目標(biāo)是開發(fā)出只靠光來工作的LSI。其最重要的一點是使用“近場光”。普通的光在原理上無法使用尺寸比波長小的導(dǎo)波路及元件。實際上，以通信用的波長1.5μm的紅外線來說，微細(xì)化的下限尺寸為2～3μm。這就是光電路技術(shù)在研發(fā)和集成化、微細(xì)化上難以向前推進的最大原因。不過，東京大學(xué)等表示：“使用近場光的話，還有望實現(xiàn)不依存于波長的、可與數(shù)十nm的電路匹敵的小型電路元件”（圖1）。因此，除了邏輯運算元件之外，此次還開發(fā)了將普通光與近場光連接起來的微細(xì)透鏡，以及使近場光通過的微細(xì)導(dǎo)波路等。 功耗只有用電工作時的萬分之一 此次東京大學(xué)等發(fā)布的邏輯與和邏輯非運算元件采用GaAs基板，并在其中的上下層各配置了1個由InAs構(gòu)成的稱為“量子點”的半導(dǎo)體微粒子（圖2）。制造工藝采用分子線外延法（MBE）。此次在尺寸為20μm×20μm的基板上將大約400個這樣的元件制成了陣列狀。 邏輯門的工作原理利用在上下排列的量子點之間產(chǎn)生能量交換的現(xiàn)象（圖3）。該能量交換的介質(zhì)就是近場光。  圖1：用近場光實現(xiàn)微細(xì)光邏輯電路 通過使用近場光，可突破以往在光電路微細(xì)化上存在的障礙，從而實現(xiàn)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長的元件及導(dǎo)波路。此次由東京大學(xué)和先鋒負(fù)責(zé)邏輯運算元件的開發(fā)，由東芝負(fù)責(zé)近場光導(dǎo)波路的開發(fā)，由柯尼卡美能達負(fù)責(zé)微小透鏡的開發(fā)。  圖2：試制可在室溫下工作的量子點邏輯門陣列 此次試制的光邏輯門陣列采用每個元件縱向排列兩個由InAs構(gòu)成的量子點的構(gòu)造。元件的成品率約為70％。發(fā)揮功能的元件以各1/2的概率形成邏輯與門或邏輯非門，進行工作。本圖根據(jù)NEDO的資料制成。照片由NEDO提供。  圖3：證實可進行邏輯非工作 在輸入作為基礎(chǔ)的光，而不輸入輸入信號的光的狀態(tài)下，下方的量子點會對基礎(chǔ)光產(chǎn)生反應(yīng)，形成一定能量的近場光，并以由此決定的波長進行發(fā)光（a）。在此輸入波長與基礎(chǔ)光不同的輸入信號的光的話，兩個量子點的近場光就會產(chǎn)生共振，使能量從下向上移動，從而不輸出原來的輸出信號（b）。本圖根據(jù)NEDO的資料制成。照片由NEDO提供。利用這種通過光來工作的邏輯門的好處之一是功耗非常小。由于近場光在原理上不易轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽虼藫p耗非常小�！�1個元件的能耗為24μeV。這一數(shù)值只有用電工作的晶體管等的萬分之一左右”（先鋒等）。 東京大學(xué)等研究小組是在新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的支援下從2006年開始對該元件展開開發(fā)的。不過，最初時因基板及量子點的結(jié)晶質(zhì)量較低，因此只證實能夠進行邏輯非門的工作。并且當(dāng)時只能在100K以下極低溫環(huán)境下工作，輸出信號的光較微弱且不穩(wěn)定。而此次通過優(yōu)化設(shè)計以及提高結(jié)晶質(zhì)量等手段，首次實現(xiàn)了在室溫（300K）下連同邏輯與工作在內(nèi)的穩(wěn)定工作。 邏輯與門與邏輯非門在各元件所用量子點的配置及數(shù)量上基本相同。兩者工作上的不同“由量子點的尺寸差異及組成差異決定”（先鋒）。但現(xiàn)在還無法確保區(qū)分形成邏輯與門或邏輯非門。“一個元件有35％的概率形成邏輯與門，有35％的概率形成邏輯非門。而剩余的30％則成為兩者都不是的不良元件”（東京大學(xué)）。不過，“目前已在能夠基本消除不良元件的改善對策上取得了眉目”（先鋒）。 對此次的元件進行光信號輸入時采用向元件上配置的金（Au）微粒子照射光線的方法。將來計劃實現(xiàn)經(jīng)由近場光導(dǎo)波路直接輸入輸出信號的設(shè)計�！澳壳罢跒閷崿F(xiàn)這一目標(biāo)而穩(wěn)步推進微小透鏡及近場光導(dǎo)波路的開發(fā)”（東京大學(xué)）�！坝型�10年后的2020年實現(xiàn)光LSI�，F(xiàn)在已走出基礎(chǔ)研究階段”（先鋒）。如果開發(fā)能夠按計劃順利推進，便有望實現(xiàn)由日本創(chuàng)造的全新型電路。（記者：野澤 哲生） ■日文原文：グラフェンや量子ドットを活用、次世代デバイス、?晡镅Щ幛薔A々 |
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