據(jù)日經(jīng)BP社報道，使用組合只有1～3層原子那么厚的“二維（2D）材料”，擁有不同性能的器件有可能接連出現(xiàn)。比如，像羽衣一樣薄的柔性超高性能微處理器、傳感器、大面積超高效率的LED以及太陽能電池等。

 

　　2D材料的代表先驅(qū)——石墨烯由于具有很多出色的特性而被視作夢幻材料注1）。但是，石墨烯只存在一大課題。那就是帶隙基本為0。雖然可以用于電極材料及模擬元件，但難以用于邏輯電路。

 

　　注1）比如，石墨烯的理論載流子遷移率高達100萬cm2/Vs，并且導電率是銅（Cu）的大約100倍，導熱率和機械強度跟金剛石一樣高等等。

 

　　最近幾年陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的新型2D材料中，也有幾種具有帶隙的材料。其中具有代表性的是六方氮化硼（h-BN）、過渡金屬的硫化物群——TMD♀、以及磷（P）的2D材料——磷烯（Phosphorene）♀（圖1）。

 

　　♀TMD（Transition metal Dichalcogenide）＝由MX2結(jié)構(gòu)構(gòu)成的2D材料。M代表鉬（Mo）及鎢（W）等過渡金屬。X代表硫黃（S）、硒（Se）、碲（Te）等硫族元素。MoS2雖然本體的能帶結(jié)構(gòu)為間接遷移型，但2D材料變成直接遷移型，高效發(fā)光。MoS2是n型半導體，WS2是p型半導體。

 

　　♀磷烯（Phosphorene）＝只由P構(gòu)成的2D材料。由磷烯層疊而成的材料叫做“黑磷（Black Phosphorus：BP）”，跟石墨一樣，顏色為黑色。半導體不管層數(shù)多少都是p型，多層磷烯的帶隙為0.3eV。隨著層數(shù)減少，帶隙增大，單層磷烯的帶隙約為1.9eV。

　　圖1：正在推進各種二維材料的研究

 

　　h-BN、TMD及磷烯的原子間結(jié)構(gòu)。h-BN的原子間結(jié)構(gòu)跟石墨烯相近，厚度只有1個原子厚。而TMD有3個原子厚，磷烯有2個原子厚。 （點擊放大）

 

　　h-BN的帶隙達到5.2eV，基本是絕緣體，但TMD、磷烯及由多層磷烯層疊而成的黑磷（BP）的帶隙跟Si等比較接近，作為可代替已接近微細化極限的Si的“后Si”有力候補，開始備受關(guān)注（圖2）。

　　圖2：利用二維材料，即使超薄柔性器件也能實現(xiàn)超高性能

 

　　美國德克薩斯大學奧斯汀分校推斷的采用各種二維材料及IGZO的TFT的性能范圍。色深的點表示該大學試制的TFT的性能值。（b）中各材料的用途實例也是由該大學推斷的。（圖為本站根據(jù)IEDM 2015的圖繪制而成） （點擊放大）

 

　　美國德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員期待采用TMD及BP的TFT實現(xiàn)柔性、輕量、超高性能的無線設備等。目前已試制出TFT，并確認可在數(shù)G～數(shù)十GHz下工作。

 

　　以前的柔性器件的半導體材料候補是有機半導體及InGaZnO（IGZO）。但載流子遷移率最高為數(shù)十cm2/Vs左右，難以實現(xiàn)GHz工作的器件?？梢哉f隨著TMD和BP的問世，柔性器件的性能差異消失了。

 

　　通過組合擴大可能性

 

　　2D材料越來越多意味著不僅可以彌補石墨烯的弱點，通過組合還可以擴大可實現(xiàn)的器件種類。比如，TMD的一種——MoS2是n型半導體，而TMD的WS2及BP仍是p型，通過組合這些材料，可以構(gòu)成pn結(jié)，可以實現(xiàn)大面積的柔性LED、太陽能電池以及CMOS結(jié)構(gòu)的半導體等。

 

　　有的組合還實現(xiàn)了跟石墨烯相近的性能。最近備受關(guān)注的是像三明治一樣將1片石墨烯夾在2片h-BN之間的h-BN/石墨烯/h-BN。石墨烯容易受接觸材料的影響，這成為其性能降低的一大原因。通過夾在帶隙大、事實上是絕緣體的h-BN之間，預計實際的器件也能夠?qū)崿F(xiàn)跟石墨烯的理論載流子遷移率——100萬cm2/Vs接近的性能（圖3）。最近的試制實例也獲得了室溫下載流子遷移率為10萬cm2/Vs以上，極低溫下為35萬cm2/Vs的結(jié)果。

　　圖3：博世對二維材料的組合充滿期待

 

　　博世正在開發(fā)的利用霍爾效應的磁傳感器（霍爾傳感器）的性能基于各種材料的推斷值和實測值等。霍爾元件的材料為將石墨烯夾在2片h-BN之間（a）。載流子遷移率在室溫下也高達2萬～10萬cm2/Vs。試制傳感器的霍爾系數(shù)是現(xiàn)有的基于Si的霍爾傳感器的100倍。而耗電量只有Si類元件的1/100（推斷值）。 （點擊放大）

 

　　實現(xiàn)高靈敏度、省電的磁傳感器

 

　　德國車載設備汽車廠商德國羅伯特博世對此非常關(guān)注。該公司還自主開發(fā)出了各種傳感器，成為其業(yè)務支柱之一。該公司利用h-BN/石墨烯/h-BN試制出了利用霍爾效應的磁傳感器，左右靈敏度的霍爾系數(shù)RH的值為7000（圖3（b））。這是霍爾元件采用Si時的100倍，也超過作為高靈敏霍爾元件材料廣為人知的InSb。并且理論上，耗電量只有Si的1/100。

 

　　面臨的課題是量產(chǎn)技術(shù)。“至少要等5年才能在試產(chǎn)線上量產(chǎn)高品質(zhì)且大面積的元件”（羅伯特博世公司從事Corporate Research的Robert Roelver）。

 

　　不過，石墨烯及其他2D材料的制造工藝也在加快開發(fā)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達到實用化。（記者：野澤 哲生）