世界首個功能性石墨烯半導(dǎo)體是如何研制的？

【環(huán)球時報報道 記者 冷舒眉】隨著硅材料芯片逐漸接近2nm的物理極限，全球?qū)诟哔|(zhì)量半導(dǎo)體材料芯片的需求劇增。二維材料由于具備出色的電子傳輸特性和潛在的高集成度，成為各國科學(xué)家以及半導(dǎo)體企業(yè)爭相投資的一條新賽道。石墨烯作為首個被發(fā)現(xiàn)可以在室溫下穩(wěn)定存在的二維材料，從2004年被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家們一直試圖將它與其他材料結(jié)合起來，設(shè)計出一種與現(xiàn)有半導(dǎo)體相比能耗更低、工作速度更快的新型芯片。但石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致“零帶隙”特性，成為石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用中最大阻礙。近日，中國天津大學(xué)和美國佐治亞理工學(xué)院的納米科學(xué)家研制出世界上第一個功能性石墨烯半導(dǎo)體，使得突破這一難題成為可能。“從某種意義上講，這是人們從硅芯片到碳芯片的一次跨越，”領(lǐng)導(dǎo)這項研究的天津大學(xué)馬雷教授對《環(huán)球時報》記者說。

根據(jù)天津大學(xué)網(wǎng)站的介紹，馬雷研究團隊通過對外延石墨烯生長過程的精確調(diào)控，成功地在石墨烯中引入了帶隙，創(chuàng)造了一種新型穩(wěn)定的半導(dǎo)體石墨烯單晶。這項前沿科技通過對生長環(huán)境的溫度、時間及氣體流量進行嚴格控制，確保了碳原子在碳化硅襯底上能形成特定的高度有序結(jié)構(gòu)。這種半導(dǎo)體石墨烯的電子遷移率遠超硅材料，表現(xiàn)出了十倍于硅的性能，并且擁有硅材料所不具備的獨特性質(zhì)。相關(guān)研究成果《碳化硅上生長的超高遷移率半導(dǎo)體外延石墨烯》已于2024年1月3日在《自然》雜志網(wǎng)站上在線發(fā)表。

馬雷表示，這次研究中，團隊主要應(yīng)用了特殊的生長環(huán)境和生長條件，利用SiC晶體對石墨烯本身進行調(diào)制，實現(xiàn)了石墨烯的帶隙打開。使原來的無帶隙變成有帶隙。“半導(dǎo)體石墨烯在常溫下具有超過硅材料十倍的遷移率的同時，擁有0.6 eV的帶隙。它是一個真正意義上的單晶石墨烯半導(dǎo)體。”

馬雷強調(diào)“單晶的半導(dǎo)體石墨烯如果能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，在很大意義上，將為人們從硅時代進入碳時代奠定重要的基礎(chǔ)。”在被問到石墨烯半導(dǎo)體距工業(yè)化落地還有多遠時，馬雷表示，目前還“無法預(yù)言”，“什么時候才能投入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，這取決于從毫米級單晶長到英寸級單晶的進程”。

來源： 環(huán)球時報