石墨烯在半导体领域中的应用形式

其次，石墨烯具有能隙之后，如何生长无缺陷的单晶石墨烯薄膜是要面临的第二个问题，即使不做半导体材料使用，石墨烯要想在高端电子器件中得到广泛使用，也必须能够生长出高质量的石墨烯薄膜，国内目前石墨烯单晶薄膜生长部分进展：

（1）生长温度

单晶石墨烯晶圆的生长一般需要1000℃或更高的温度，容易产生褶皱、污染，不但产生较高的能耗，也容易导致石墨烯性能降低。中国科学院上海微系统与信息技术研究所谢晓明领导的石墨烯研究团队首次在较低温度（750℃）条件下采用化学气相沉积外延成功制备6英寸无褶皱高质量石墨烯单晶晶圆。成功将外延生长石墨烯单晶的生长温度从1000℃ 成功降低到750℃。单晶石墨烯晶圆的批量化制备是石墨烯在电子学领域规模化应用的前提，低温外延制备晶圆级石墨烯单晶对于推动石墨烯在电子学领域的应用具有重要意义。

（2）规模化制备

19年5月，彭海琳教授、刘忠范院士联合团队循着外延衬底制备-石墨烯外延生长这一研究思路，首先制备了4英寸CuNi（111）铜镍合金单晶薄膜，并以其为生长基底实现了4英寸石墨烯单晶晶圆的超快速制备。同时，该团队与合作者自主研发了石墨烯单晶晶圆批量制备装备，实现了单批次25片4英寸石墨烯单晶晶圆的制备，设备年产能可达1万片，在世界范围内率先实现了石墨烯单晶晶圆的可规模化制备。

采用CVD法生长石墨烯大多以过渡金属微生长基底，借助其较高的化学催化活性，促进碳源裂解并在金属表面吸附、扩散、成核、生长形成石墨烯。通过调控生长过程中的参数，可以实现大面积、层数可控、高质量且结构均一连续的石墨烯薄膜，经过工艺优化，可实现超大面积石墨烯单晶生长。但是，在实际应用中，金属表面形成的石墨烯一般需要转移至介电层上，所以石墨烯薄膜的无损转移一直都有研究投入。

19年5月份，南科大材料系蔡念铎利用樟脑实现了CVD法石墨烯薄膜的简便高效、大面积的高质量转移。樟脑与石墨烯表面吸附能较小，作为辅助转移层时可以仅通过室温下干燥升华、低温短时间退火或无水乙醇试剂清洗即被完全除去。避免了传统转移方法中去除转移支撑层所使用的有机试剂长时间浸泡和高温退火等操作，减少了对石墨烯薄膜的品质损坏，并扩展了石墨烯在诸多柔性基底上的应用。

2015年，国际半导体技术路线图（ITRS）预测，基于通孔的铜互连将无法再平面连接硅材料，或将一层布线连接到另一层布线。但ITRS的预测并不总是如期发生，基于通孔的铜互连依旧在起作用。不过，研究人员认为，现在考虑未来的替代物质或接下来怎么做已经不早了。

目前铜互连的最小线宽在26-30纳米左右。一旦铜线宽缩小到20纳米或15纳米就可能出现严重问题。石墨烯互连在线宽方面非常具有优势。

麻省理工学院的Jeehwan Kim教授团队通过将单层石墨烯放在晶圆上，然后在石墨烯上生长半导体材料。他们发现在石墨烯足够薄的情况下，当复印底层晶圆上的图形时，并不受中间层石墨烯的影响。石墨烯相当“滑”，不容易与其它材料粘附在一起，能够很容易地将被印有图形的半导体层从晶圆上剥离开来。

在传统的方法中，几乎不可避免的要牺牲晶圆，这种新技术使用石墨烯作为中间层，使得晶圆上的图形能够被复制和粘贴，从而使被图形化的晶圆能够利用很多次。因此，这不仅能显著降低晶圆成本，也能显著降低分离过程中的损害。目前半导体工业界一直坚持使用硅材料，虽然已经知道存在性能更好的半导体材料，但是由于成本问题，目前还难以大规模地使用它们。这种新技术为我们选择其它半导体材料提供了更大的机会，因为其显著降低了成本问题的限制。

石墨烯在半导体领域的应用取得了许多突破与进展，但以目前的技术取代硅或者实现大规模应用还有很大差距，硅最大的优势是技术成熟，获取方便，价格低廉，而半导体领域中的石墨烯只能用CVD法制备，价格昂贵，成品率低，如何实现石墨烯规模化生产是个亟待解决的问题;石墨烯作为一种2D 平面材料，有较严重量子效应，边缘态和晶态均很大程度影响电子结构和电性质。此外，需要深入研究石墨烯的导电性，使石墨烯集成电路有更优异的性能。

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