据日经BP社报道,使用组合只有1~3层原子那么厚的“二维(2D)材料”,拥有不同性能的器件有可能接连出现。比如,像羽衣一样薄的柔性超高性能微处理器、传感器、大面积超高效率的LED以及太阳能电池等。
2D材料的代表先驱——石墨烯由于具有很多出色的特性而被视作梦幻材料注1)。但是,石墨烯只存在一大课题。那就是带隙基本为0。虽然可以用于电极材料及模拟元件,但难以用于逻辑电路。
注1)比如,石墨烯的理论载流子迁移率高达100万cm2/Vs,并且导电率是铜(Cu)的大约100倍,导热率和机械强度跟金刚石一样高等等。
最近几年陆续发现的新型2D材料中,也有几种具有带隙的材料。其中具有代表性的是六方氮化硼(h-BN)、过渡金属的硫化物群——TMD♀、以及磷(P)的2D材料——磷烯(Phosphorene)♀(图1)。
♀TMD(Transition metal Dichalcogenide)=由MX2结构构成的2D材料。M代表钼(Mo)及钨(W)等过渡金属。X代表硫黄(S)、硒(Se)、碲(Te)等硫族元素。MoS2虽然本体的能带结构为间接迁移型,但2D材料变成直接迁移型,高效发光。MoS2是n型半导体,WS2是p型半导体。
♀磷烯(Phosphorene)=只由P构成的2D材料。由磷烯层叠而成的材料叫做“黑磷(Black Phosphorus:BP)”,跟石墨一样,颜色为黑色。半导体不管层数多少都是p型,多层磷烯的带隙为0.3eV。随着层数减少,带隙增大,单层磷烯的带隙约为1.9eV。
图1:正在推进各种二维材料的研究
h-BN、TMD及磷烯的原子间结构。h-BN的原子间结构跟石墨烯相近,厚度只有1个原子厚。而TMD有3个原子厚,磷烯有2个原子厚。 (点击放大)
h-BN的带隙达到5.2eV,基本是绝缘体,但TMD、磷烯及由多层磷烯层叠而成的黑磷(BP)的带隙跟Si等比较接近,作为可代替已接近微细化极限的Si的“后Si”有力候补,开始备受关注(图2)。
图2:利用二维材料,即使超薄柔性器件也能实现超高性能
美国德克萨斯大学奥斯汀分校推断的采用各种二维材料及IGZO的TFT的性能范围。色深的点表示该大学试制的TFT的性能值。(b)中各材料的用途实例也是由该大学推断的。(图为本站根据IEDM 2015的图绘制而成) (点击放大)
美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员期待采用TMD及BP的TFT实现柔性、轻量、超高性能的无线设备等。目前已试制出TFT,并确认可在数G~数十GHz下工作。
以前的柔性器件的半导体材料候补是有机半导体及InGaZnO(IGZO)。但载流子迁移率最高为数十cm2/Vs左右,难以实现GHz工作的器件。可以说随着TMD和BP的问世,柔性器件的性能差异消失了。
通过组合扩大可能性
2D材料越来越多意味着不仅可以弥补石墨烯的弱点,通过组合还可以扩大可实现的器件种类。比如,TMD的一种——MoS2是n型半导体,而TMD的WS2及BP仍是p型,通过组合这些材料,可以构成pn结,可以实现大面积的柔性LED、太阳能电池以及CMOS结构的半导体等。
有的组合还实现了跟石墨烯相近的性能。最近备受关注的是像三明治一样将1片石墨烯夹在2片h-BN之间的h-BN/石墨烯/h-BN。石墨烯容易受接触材料的影响,这成为其性能降低的一大原因。通过夹在带隙大、事实上是绝缘体的h-BN之间,预计实际的器件也能够实现跟石墨烯的理论载流子迁移率——100万cm2/Vs接近的性能(图3)。最近的试制实例也获得了室温下载流子迁移率为10万cm2/Vs以上,极低温下为35万cm2/Vs的结果。
图3:博世对二维材料的组合充满期待
博世正在开发的利用霍尔效应的磁传感器(霍尔传感器)的性能基于各种材料的推断值和实测值等。霍尔元件的材料为将石墨烯夹在2片h-BN之间(a)。载流子迁移率在室温下也高达2万~10万cm2/Vs。试制传感器的霍尔系数是现有的基于Si的霍尔传感器的100倍。而耗电量只有Si类元件的1/100(推断值)。 (点击放大)
实现高灵敏度、省电的磁传感器
德国车载设备汽车厂商德国罗伯特博世对此非常关注。该公司还自主开发出了各种传感器,成为其业务支柱之一。该公司利用h-BN/石墨烯/h-BN试制出了利用霍尔效应的磁传感器,左右灵敏度的霍尔系数RH的值为7000(图3(b))。这是霍尔元件采用Si时的100倍,也超过作为高灵敏霍尔元件材料广为人知的InSb。并且理论上,耗电量只有Si的1/100。
面临的课题是量产技术。“至少要等5年才能在试产线上量产高品质且大面积的元件”(罗伯特博世公司从事Corporate Research的Robert Roelver)。
不过,石墨烯及其他2D材料的制造工艺也在加快开发速度。也有可能用不了5年,采用2D材料的高性能器件就可以达到实用化。(记者:野泽 哲生)