大突破！中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)成功制備全球首個(gè)石墨烯半導(dǎo)體！

1月4日消息，近日，天津大學(xué)旗下的天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國(guó)際研究中心的研究團(tuán)隊(duì)，攜手美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的研究人員，克服了幾十年來(lái)困擾石墨烯研究的最大障礙，成功創(chuàng)造出了世界上第一個(gè)由石墨烯制成的功能半導(dǎo)體，在硅基半導(dǎo)體微縮已經(jīng)接近極限的當(dāng)下，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打開(kāi)了新的大門。

△研究團(tuán)隊(duì)制備的生長(zhǎng)在碳化硅襯底上的石墨烯器件

目前與該研究相關(guān)的論文《Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide》（《碳化硅上的超高遷移率半導(dǎo)體外延石墨烯》）已經(jīng)成功發(fā)表在了《自然》雜志上，論文的共同第一作者是趙健、紀(jì)佩璇、李雅奇、李睿四人，其余多位署名作者主要來(lái)自中國(guó)天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，同時(shí)也有美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授沃爾特·德赫爾(Walter de Heer)帶領(lǐng)的研究人員。

據(jù)了解，這項(xiàng)石墨烯半導(dǎo)體的研究是由天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)作為主導(dǎo)完成的，并非一些外媒報(bào)道的由佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)教授沃爾特·德赫爾主導(dǎo)。研究團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)教師為天津大學(xué)講席教授、天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國(guó)際研究中心執(zhí)行主任馬雷，主要的研究和攻關(guān)工作都是由中國(guó)團(tuán)隊(duì)完成，沃爾特·德赫爾則是提點(diǎn)了研究方向。

資料顯示，石墨烯（Graphene）是碳的同素異形體，碳原子以sp2雜化鍵合形成單層六邊形蜂窩晶格石墨烯，只有一個(gè)原子的超薄厚度，是一種二維材料，不僅堅(jiān)固耐用，還可以處理非常大的電流，并且不會(huì)升溫和分解。所有這些特點(diǎn)表明石墨烯是理想的制備未來(lái)傳輸速度更快、體積更小、更節(jié)能的電子元件的理想材料，而且另一大優(yōu)勢(shì)是制備石墨烯的原料理論上可以無(wú)限供應(yīng)。

但是，石墨烯既不是半導(dǎo)體也不是金屬，而是半金屬，沒(méi)有合適的“帶隙”（導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差），無(wú)法在施加電場(chǎng)時(shí)以正確的比率實(shí)現(xiàn)打開(kāi)和關(guān)閉——這是困擾石墨烯相關(guān)半導(dǎo)體研究的最大障礙。所以石墨烯電子學(xué)研究的主要問(wèn)題是如何打開(kāi)“帶隙”，實(shí)現(xiàn)開(kāi)和關(guān)的功能，以便它可以像硅一樣具備半導(dǎo)體特性，從而可以工作。

而在過(guò)去的二十年里，很多研究人員都在嘗試通過(guò)各種方法來(lái)打開(kāi)石墨烯的“帶隙”，但是都未能制備出可行的基于石墨烯的功能半導(dǎo)體，會(huì)很大程度上損失材料的本征特性。

對(duì)此，天津大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在碳化硅晶圓上外延石墨烯，即在碳化硅晶圓上生長(zhǎng)單層石墨烯，使其與碳化硅發(fā)生化學(xué)鍵合，從而得到了半導(dǎo)體特性。

該論文的概要當(dāng)中寫道：“眾所周知，當(dāng)硅從碳化硅晶體表面蒸發(fā)時(shí)，富含碳的表面結(jié)晶以產(chǎn)生多層石墨烯。在碳化硅的硅端接面上形成的第一個(gè)石墨烯層是部分共價(jià)結(jié)合到碳化硅表面的絕緣表觀石墨烯。該緩沖層的光譜測(cè)量證明了半導(dǎo)體信號(hào)，但由于其是無(wú)序的，所以該層的電子遷移率受到限制。在這里，研究團(tuán)隊(duì)展示了一種準(zhǔn)平衡退火方法，該方法在宏觀原子平坦的平臺(tái)上產(chǎn)生了半導(dǎo)體石墨烯（即有序的緩沖層）。半導(dǎo)體石墨烯晶格與碳化硅襯底對(duì)準(zhǔn)，具有化學(xué)、機(jī)械和熱穩(wěn)定性，可以使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)進(jìn)行圖案化并無(wú)縫連接到石墨烯半導(dǎo)體。這些基本特性使半導(dǎo)體石墨烯適用于納米電子學(xué)?！?/p>

馬雷教授也表示：“石墨烯電子學(xué)中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題是，如何在保持石墨烯材料高遷移率特性的前提下打開(kāi)帶隙。我們的研究實(shí)現(xiàn)了解決了這一問(wèn)題，這是實(shí)現(xiàn)石墨烯電子學(xué)走向電子產(chǎn)品應(yīng)用的關(guān)鍵一步?！?/p>

但要制造功能性的石墨烯晶體管，必須對(duì)材料進(jìn)行大量操作，這可能會(huì)損害其性能。因?yàn)槭┲挥幸粋€(gè)原子厚度，所有的原子都很重要，即使是圖案中的微小不規(guī)則也會(huì)破壞它的性質(zhì)。為了證明他們的平臺(tái)可作為可行的半導(dǎo)體發(fā)揮作用，研究團(tuán)隊(duì)需要在不損壞它的情況下測(cè)量其電子特性。

根據(jù)該研究團(tuán)隊(duì)的測(cè)量表明，他們?cè)谔蓟枭现苽涞氖┌雽?dǎo)體具有0.6 eV的帶隙和超過(guò)5,000 cm 2 ?V -1 ?s -1的室溫電子遷移率，達(dá)到了硅的10倍，同時(shí)也達(dá)到了其他二維半導(dǎo)體的20倍。換句話說(shuō)，電子可以以非常低的阻力移動(dòng)，這在電子學(xué)中意味著更快的計(jì)算能力。并且，得益于石墨烯本身的二維特性，使得其散熱性能更好，效率更高。該石墨烯半導(dǎo)體也是目前唯一具有用于納米電子學(xué)的所有必要特性的二維半導(dǎo)體，其電學(xué)特性遠(yuǎn)優(yōu)于目前正在開(kāi)發(fā)的任何其他二維半導(dǎo)體。

“對(duì)我來(lái)說(shuō)，這就像萊特兄弟的時(shí)刻。”沃爾特·德赫爾教授表示：“他們就像是制造了一架可以在空中飛行 300 英尺的飛機(jī)。但懷疑論者問(wèn)，既然世界已經(jīng)有了高速火車和輪船，為什么還需要飛機(jī)。但他們堅(jiān)持了下來(lái)，這是一項(xiàng)可以帶人們跨越世界的技術(shù)的開(kāi)始?！?/p>

外延石墨烯可能會(huì)引起電子領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變，研究人員可以利用其獨(dú)特特性來(lái)研究全新的半導(dǎo)體技術(shù)。同時(shí)，該石墨烯半導(dǎo)體的生產(chǎn)方法可以與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體制造方法兼容，而這也是石墨烯半導(dǎo)體替代硅基半導(dǎo)體的必要條件。

研究人員在論文中寫道，這項(xiàng)技術(shù)“在未來(lái)具有顯著的商業(yè)可行性潛力”。

馬雷在接受第一財(cái)經(jīng)采訪時(shí)也表示，這種材料如果投入工業(yè)應(yīng)用，在成本上，基本可比擬現(xiàn)在市面上的半導(dǎo)體制造材料，而在性能上，則將更加優(yōu)越。

盡管如此，將石墨烯半導(dǎo)體擴(kuò)展到計(jì)算芯片之前，仍有很多問(wèn)題需要解決。

“我估計(jì)還要10到15年，才能真正能看到石墨烯半導(dǎo)體完全落地?！瘪R雷表示，研究團(tuán)隊(duì)正在努力嘗試讓石墨烯半導(dǎo)體材料長(zhǎng)在更大尺寸的碳化硅襯底上。

編輯：芯智訊-浪客劍

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06811-0

https://research.gatech.edu/feature/researchers-create-first-functional-semiconductor-made-graphene