新突破！石墨烯半导体问世，10倍于硅的性能

石墨烯被誉为“新材料之王”，但其一直存在一个问题：石墨烯没有正确的带隙，结构完整的本征石墨烯的带隙为零，呈现金属性。这意味着石墨烯就是导体，不存在像半导体那样具有打开和关闭的功能，更别说引发半导体和电子学革命，而且这一难题持续了几十年。

然而，近日佐治亚理工学院的物理学教授沃尔特·德·希尔（Walter de Heer）及天津大学马雷教授团队就创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体（Functional Graphene Semiconductor）。

该研究团队的研究成果《碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯》（Ultra-high mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide），成功地攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，打开了石墨烯带隙，实现了从“0”到“1”的突破，这一突破被认为是开启石墨烯芯片制造领域大门的重要里程碑。该项成果已于2024年1月3日在《自然》（Nature）杂志网站上在线发布。

图片来源：天津大学

研究团队使用特殊熔炉在碳化硅（SiC）晶圆上生长石墨烯时取得突破。他们生产了外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层。研究发现，当制造得当时，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并开始表现出半导体特性。

根据研究人员的说法，他们想把石墨烯的三个特殊特性引入电子产品内，这样就可以处理非常大的电流，获取更高效率，与此同时温度不会升高到很离谱的程度。

石墨烯即单层石墨, 碳原子以sp2杂化轨道组成六角形，呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列的单层二维晶体。它具有超薄（1毫米厚的鳞片石墨=300万片石墨烯）、超轻、（动物毛发可以支撑起红枣大小的石墨烯气凝胶）、超强（完美石墨烯膜制作成保鲜膜盖在杯子上坐一头大象才能让其破裂）的特性。

石墨烯是二维材料的“天才”，电性能远超目前正在开发的任何其他二维半导体。它拥有电荷载流子高迁移率（15000 c㎡/V·S）、双极场效应、高导热性能（3000 W/m·k）等特点，同时具有优异的电学性能以及机械性能。优异性质使得石墨烯在纳米带晶体管、气体传感器、超级电容器及透明导电电极等许多领域都有很强的适用空间。

据了解，这种半导体石墨烯的电子迁移率远超硅材料，表现出了十倍于硅的性能，并且拥有硅材料所不具备的独特性质。而该项研究实现了三方面技术革新，首先，采用创新的准平衡退火方法，该方法制备的超大单层单晶畴半导体外延石墨烯（SEG），具有生长面积大、均匀性高，工艺流程简单、成本低廉等优势，弥补了传统生产工艺的不足；第二，该方法制备的半导体石墨烯，拥有约600 meV带隙以及高达5500cm²V^-1s^-1的室温霍尔迁移率，优于目前所有二维晶体至少一个数量级；最后，以该半导体外延石墨烯制备的场效应晶体管开关比高达10⁴，基本满足了现在的工业化应用需求。

随着摩尔定律所预测的极限日益临近，半导体石墨烯的出现恰逢其时，预示着电子学领域即将迎来一场根本性的变革，其突破性的属性满足了对更高计算速度和微型化集成电子器件不断增长的需求。

尽管石墨烯一直以来就被指过度炒作，但其带隙为零这一大关键问题被解决，确实为其未来应用，找到了新的突破口，包括集中电路、场效应晶体管、大功率LED散热、可穿戴电子器件、石墨烯化学传感器等各种应用。但石墨烯半导体很大可能像碳化硅和氮化镓一样，为半导体制造和下游产品，给出更多选择，并非取代硅技术。

本文内容参考：天津大学官网、分析百科测试网