硅基半导体时代
我们处在一个用硅构建的时代——我们手上拿的手机、办公用的电脑、家里的家用电器、马路上奔跑的汽车，没有哪一样离得开精密而集成化的半导体电路。而如今小巧的低功耗的半导体晶体管电路之所以能全面取代传统的、蠢笨的、高功耗的电子管，就是得益于硅这个材料的电子学性质。
1947年，美国贝尔实验室肖克利、巴丁、布拉顿组成的研究小组发现硅可以做成一个电子学开关，三年后，第一只“PN结型晶体管”诞生，微电子学拉开序幕。之后的几十年，越来越集成的微电子技术彻底改变了人们生活的面貌。
图1 William Shockley (中), John Bardeen（左）, and Walter Brattain（右）, 1948.
图片来源： AT&T Archives and History Center
图2 第一个点接触型的锗晶体管
图片来源：wordpress
那么，这些半导体是怎样施展魔法的呢？
所谓半导体，就是说他的性质介于导体和绝缘体之间，随着外界条件（比如电压）的变化，可以变身导体或绝缘体。如果电路里有个小薄层是这样的半导体，那么我们就可以控制这个电路的开和关，也就是对应逻辑上的0和1。
大家一定记得大学时候学过的各种半导体器件，什么P型半导体、N型半导体、PN结、场效应管等等。无非都是利用半导体材料的性质制成各种器件，只要我们控制电压等一些外部条件，就可以控制电路的电流等各种电学状态，最终实现各种逻辑运算。
上世纪六十年代前后，两家公司几乎同时制造出了集成电路——一个芯片上集合很多个电子开关，完成复杂的计算功能。从此，人类在集成电路的道路上一发不可收拾，人们希望在同样大小、同样功耗的情况下，完成尽可能强大的计算，这种野心和期待集中体现在1961年的Moore定律——每过十八个月，芯片密度和就会增加一倍，如果这种趋势继续下去，将是一个激动人心的指数增长。
图3 第一个集成电路
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Moore定律失效？
可是，人类一得意，上帝就发笑。在芯片集成的道路上，人们渐渐意识到极限的存在。
目前大规模集成电路都是以金属-氧化物-半导体（metal oxide semiconductor,MOS）晶体管为主要有源器件构成的。一个增强型MOS场效应晶体管靠调节栅极和源极间的电压来控制沟道区电导率，进而控制漏极电流的开和关。但是，随着器件越做越小，情况变得不可控起来——沟道区长度与厚度比过小的话，电流很容易从沟道区远离门电极的部分漏过去，漏极电流的开和关不再被有效控制。
所以，人们特别想找到一些材料，既能越来越薄，甚至薄到原子级别，又能很好的保持半导体性质。这个时候，二维材料粉墨登场。
二维材料的电子能带结构和三维的母体材料往往有很大不同，里面的电子可能具有新的物理规律，按照新的能级运动，并且由于薄层的缘故，原子都暴露于表面，往往更容易被调控。
石墨烯是一个典型的二维材料，厚度在原子级别，那么它有没有什么好的类似场效应管的性质可以为我们所用呢？我们来了解一下它。
石墨烯场效应管
首先，石墨烯有一个非常棒的特性——电子高迁移率。我们知道，载流子的迁移率对于输运效果有直接的影响，高迁移率意味着载流子有更快的扩散速度，也就对应更好的导电性、更快的响应频率、更小的能量损耗。实验表明，现在晶体管主要材料硅的迁移率大约在1400cm²／(V·s),而石墨烯中电子的迁移率要比它高出至少一个数量级。更难能可贵的是，石墨烯的电子迁移率几乎不怎么随温度变化。
最神奇的是，石墨烯中的电子，即使遇到势垒（比如能量抬升较高的电压），也可以变身为反粒子，毫无障碍地100%隧穿过去。利用这个性质，人们可以调整电压，分分钟将n型掺杂石墨烯变成p型掺杂石墨烯。
但是，石墨烯之所以还没有被大规模应用到半导体技术，是因为制约石墨烯成为一个场效应管有一个最大瓶颈——它的带隙问题。这是什么意思呢？
对于传统的半导体材料，控制导电与否，靠的是导带和价带之间带隙的存在。半导体材料里，导带和价带都对应电子的能量空间，电子在导带和价带中都可以自由运动，能导电；但导带和价带之间存在一个能量间隔——带隙，电子的能量在带隙中时，是没法自由运动的。通过控制半导体中电子的能量（通常用门电极来实现），就可以实现半导体的开关。
但是，石墨烯是一个零带隙的半导体，价带和导带是相交的，不存在分开两种能带的带隙，所以石墨烯制成的器件沟道无法实现有效的开关控制，很多人因此认为，它不适合逻辑电路的应用。
当然，人们在这方面没有放弃过努力，人们深入研究了石墨烯的电子结构，发现打开它的带隙不是没有可能的。比如，制造石墨烯纳米带、双层石墨烯加偏压、对石墨烯进行掺杂、施加压力，都是可能实现的手段。
继2004年石墨烯的场效应被报道之后，很快，在2007年，第一个顶栅结构的双层石墨烯场效应管也被报道。这是一个石墨烯晶体管发展的里程碑，遗憾的是，这样能打开的能隙太小，开关效果很难达到实际需要。
石墨烯的姐妹们
虽然石墨烯的带隙表现不尽如人意，但是它给了人们很大的启发——既然二维材料与母体三维材料可能具有完全不同的电学性质，那么其他的二维材料有没有适合制作半导体器件的呢？
科学家发现，一些二维的硫化物、金属氧化物都可能具有这样的前景。
比如，在2010年，MoS2 进入了科学家的视野。人们发现，单层的MoS2 具有1.8 eV的直接带隙，一年后，高质量的单层MoS2场效应管也首次被制备了出来，开关比达到10E8（传统具有实际应用价值的硅MOSFET开关比大约在10E4~10E7），但是迁移率偏低，只有大概100cm²／(V·s)。
图4 MoS2单层
图片来源：google
而在2014年，黑磷场效应管也被成功制备，达到了10E6的开关比和1000cm²／(V·s)的室温迁移率，证明了科学家摸索二维半导体材料的思路是有效的，科学家也希望在做进一步的努力，希望能将黑磷器件做的更大、更好、更稳定。
此外，蜂窝状的硅原子或者锗原子构成的硅烯和锗烯也是近年来发现的一种新的二维单原子材料。它们也具有较高的迁移率，但过小的能隙也阻止了它直接做成有效的场效应管，一些科学家也在尝试一些不同的打开它们带隙的方法，并取得了一些理论上的支持。
石墨烯存储
虽然现在石墨烯作为场效应晶体管很有难度，但是，在微电子学的其它方面（比如集成电路和存储），石墨烯也吸引了科学家探索的目光。
对于现在常用的硅基存储来说，当尺寸小到一定程度，晶体管门单元会不可避免的干扰电路上的“邻居”，电路就会变得不稳定。而石墨烯制成的门是超薄的，不容易互相干扰，为存储器件小型化带来了曙光。
目前，石墨烯已经被尝试运用在几种存储器结构中，它们的物理机制各不相同，其中，有些尝试已经有望在实际应用上取代传统的半导体场效应管存储设备。人们预测，石墨烯器件可以缩小到10nm的尺度，而原子的尺度大约在0.1 nm，也就是说，大约用上万的原子就可以存储一个0或1的信息。
当然，你一定会问，能不能再精简一些，用单个原子存储信息呢？物理上，当然是没有障碍的，科学家也一直在做这方面的探索，一些实验室中的进展已经有过报道，小墨和你们一样期待这些技术走出实验室的那一天呢。
（感谢复旦大学特聘教授张远波在二维半导体材料方面的指导。）
来源：墨子沙龙
编辑：Aprilis
发表于 2017-12-19 02:09
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