大突破！中國研究團(tuán)隊成功制備全球首個石墨烯半導(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)國際研究中心的研究團(tuán)隊，攜手美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員，克服了幾十年來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)展打開了新的大門。

△研究團(tuán)隊制備的生長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自中國天津大學(xué)研究團(tuán)隊，同時也有美國佐治亞理工學(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，這項石墨烯半導(dǎo)體的研究是由天津大學(xué)團(tuán)隊作為主導(dǎo)完成的，并非一些外媒報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)工作都是由中國團(tuán)隊完成，沃爾特·德赫爾則是提點了研究方向。

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，只有一個原子的超薄厚度，是一種二維材料，不僅堅固耐用，還可以處理非常大的電流，并且不會升溫和分解。所有這些特點表明石墨烯是理想的制備未來傳輸速度更快、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)勢是制備石墨烯的原料理論上可以無限供應(yīng)。

但是，石墨烯既不是半導(dǎo)體也不是金屬，而是半金屬，沒有合適的“帶隙”（導(dǎo)帶的最低點和價帶的最高點的能量之差），無法在施加電場時以正確的比率實現(xiàn)打開和關(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)研究的主要問題是如何打開“帶隙”，實現(xiàn)開和關(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。

而在過去的二十年里，很多研究人員都在嘗試通過各種方法來打開石墨烯的“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，會很大程度上損失材料的本征特性。

對此，天津大學(xué)的研究團(tuán)隊通過在碳化硅晶圓上外延石墨烯，即在碳化硅晶圓上生長單層石墨烯，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，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石墨烯層是部分共價結(jié)合到碳化硅表面的絕緣表觀石墨烯。該緩沖層的光譜測量證明了半導(dǎo)體信號，但由于其是無序的，所以該層的電子遷移率受到限制。在這里，研究團(tuán)隊展示了一種準(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)中長期存在的問題是，如何在保持石墨烯材料高遷移率特性的前提下打開帶隙。我們的研究實現(xiàn)了解決了這一問題，這是實現(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，必須對材料進(jìn)行大量操作，這可能會損害其性能。因為石墨烯只有一個原子厚度，所有的原子都很重要，即使是圖案中的微小不規(guī)則也會破壞它的性質(zhì)。為了證明他們的平臺可作為可行的半導(dǎo)體發(fā)揮作用，研究團(tuán)隊需要在不損壞它的情況下測量其電子特性。

根據(jù)該研究團(tuán)隊的測量表明，他們在碳化硅上制備的石墨烯半導(dǎo)體具有0.6 eV的帶隙和超過5,000 cm 2 ?V -1 ?s -1的室溫電子遷移率，達(dá)到了硅的10倍，同時也達(dá)到了其他二維半導(dǎo)體的20倍。換句話說，電子可以以非常低的阻力移動，這在電子學(xué)中意味著更快的計算能力。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)于目前正在開發(fā)的任何其他二維半導(dǎo)體。

“對我來說，這就像萊特兄弟的時刻?！蔽譅柼亍さ潞諣柦淌诒硎荆骸八麄兙拖袷侵圃炝艘患芸梢栽诳罩酗w行 300 英尺的飛機(jī)。但懷疑論者問，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)。但他們堅持了下來，這是一項可以帶人們跨越世界的技術(shù)的開始?！?/p>

外延石墨烯可能會引起電子領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變，研究人員可以利用其獨特特性來研究全新的半導(dǎo)體技術(shù)。同時，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，這項技術(shù)“在未來具有顯著的商業(yè)可行性潛力”。

馬雷在接受第一財經(jīng)采訪時也表示，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)展到計算芯片之前，仍有很多問題需要解決。

“我估計還要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)隊正在努力嘗試讓石墨烯半導(dǎo)體材料長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