大突破！中國研究團隊成功制備全球首個(gè)石墨烯半導體！

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國際研究中心的研究團隊，攜手美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員，克服了幾十年來(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體，在硅基半導體微縮已經(jīng)接近極限的當下，為半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打開(kāi)了新的大門(mén)。

△研究團隊制備的生長(cháng)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、紀佩璇、李雅奇、李睿四人，其余多位署名作者主要來(lái)自中國天津大學(xué)研究團隊，同時(shí)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。

據了解，這項石墨烯半導體的研究是由天津大學(xué)團隊作為主導完成的，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。研究團隊指導教師為天津大學(xué)講席教授、天津納米顆粒與納米系統國際研究中心執行主任馬雷，主要的研究和攻關(guān)工作都是由中國團隊完成，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(wú)限供應。

但是，石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬，沒(méi)有合適的“帶隙”（導帶的最低點(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)現打開(kāi)和關(guān)閉——這是困擾石墨烯相關(guān)半導體研究的最大障礙。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)現開(kāi)和關(guān)的功能，以便它可以像硅一樣具備半導體特性，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體，會(huì )很大程度上損失材料的本征特性。

對此，天津大學(xué)的研究團隊通過(guò)在碳化硅晶圓上外延石墨烯，即在碳化硅晶圓上生長(cháng)單層石墨烯，使其與碳化硅發(fā)生化學(xué)鍵合，從而得到了半導體特性。

該論文的概要當中寫(xiě)道：“眾所周知，當硅從碳化硅晶體表面蒸發(fā)時(shí)，富含碳的表面結晶以產(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)結合到碳化硅表面的絕緣表觀(guān)石墨烯。該緩沖層的光譜測量證明了半導體信號，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，研究團隊展示了一種準平衡退火方法，該方法在宏觀(guān)原子平坦的平臺上產(chǎn)生了半導體石墨烯（即有序的緩沖層）。半導體石墨烯晶格與碳化硅襯底對準，具有化學(xué)、機械和熱穩定性，可以使用傳統的半導體制造技術(shù)進(jìn)行圖案化并無(wú)縫連接到石墨烯半導體。這些基本特性使半導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(cháng)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)現了解決了這一問(wèn)題，這是實(shí)現石墨烯電子學(xué)走向電子產(chǎn)品應用的關(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(huì )損害其性能。因為石墨烯只有一個(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則也會(huì )破壞它的性質(zhì)。為了證明他們的平臺可作為可行的半導體發(fā)揮作用，研究團隊需要在不損壞它的情況下測量其電子特性。

根據該研究團隊的測量表明，他們在碳化硅上制備的石墨烯半導體具有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，達到了硅的10倍，同時(shí)也達到了其他二維半導體的20倍。換句話(huà)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(zhù)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體，其電學(xué)特性遠優(yōu)于目前正在開(kāi)發(fā)的任何其他二維半導體。

“對我來(lái)說(shuō)，這就像萊特兄弟的時(shí)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。但懷疑論者問(wèn)，既然世界已經(jīng)有了高速火車(chē)和輪船，為什么還需要飛機。但他們堅持了下來(lái)，這是一項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)域的范式轉變，研究人員可以利用其獨特特性來(lái)研究全新的半導體技術(shù)。同時(shí)，該石墨烯半導體的生產(chǎn)方法可以與傳統的硅基半導體制造方法兼容，而這也是石墨烯半導體替代硅基半導體的必要條件。

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

馬雷在接受第一財經(jīng)采訪(fǎng)時(shí)也表示，這種材料如果投入工業(yè)應用，在成本上，基本可比擬現在市面上的半導體制造材料，而在性能上，則將更加優(yōu)越。

盡管如此，將石墨烯半導體擴展到計算芯片之前，仍有很多問(wèn)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體完全落地?！瘪R雷表示，研究團隊正在努力嘗試讓石墨烯半導體材料長(cháng)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