在電子學(xué)的發(fā)展歷程中,，硅材料一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，但隨著摩爾定律的不斷發(fā)展,，硅基材料的物理極限逐漸顯現(xiàn),。今天，我們站在了一次工業(yè)變革的門檻上,，各種材料被各界競相探索,，SiC和GaN等這樣的寬禁帶半導(dǎo)體材料是成功的案例之一。最近的熱門是石墨烯,。

自2004年被曼徹斯特大學(xué)切爾諾戈洛夫卡微電子研究所的兩位教授發(fā)現(xiàn)以來,，石墨烯一直被譽為神奇的材料。石墨烯這種由單層碳原子構(gòu)成的二維材料有三大優(yōu)良特性：1）無比堅固,，石墨烯的強度是鋼的200倍以上,；2）載流子遷移率極高；3）導(dǎo)熱率極高,，這意味著石墨烯可以有效地散熱,，防止電子器件過熱。對于電子行業(yè)而言,，看起來石墨烯是一個優(yōu)良無比的材料,，但是石墨烯是一種無帶隙材料，缺乏用于開關(guān)晶體管的關(guān)鍵特性,。因此在過去的20年里,，人們一直在努力在石墨烯中“打開一個帶隙”，這是石墨烯商業(yè)化應(yīng)用之前首要解決的難題,。

石墨烯是2004年在一塊石墨上使用透明膠帶發(fā)現(xiàn)的

佐治亞理工學(xué)院的物理學(xué)教授沃爾特·德·希爾(Walter de Heer)及天津大學(xué)馬雷教授團隊的最新研究讓石墨烯成功有了帶隙,，為石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用開啟了新的可能性。通過在SiC上的生長過程中施加特定的限制,，他們成功展示了生長在單晶硅碳化物襯底上的半導(dǎo)體外延石墨烯（SEG）具有0.6 eV的帶隙,，并且室溫遷移率超過5000 cm2V?1s?1，是硅的10倍,，是其他二維半導(dǎo)體的20倍,。證明了石墨烯的效率更高，允許電子以更快的速度穿過,。更形象的說,，這就好比“車子在碎石路上行駛與在高速公路上行駛一樣”,。這一成就為石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的可能性。

他們的研究于1月3日發(fā)表在了《自然》上（圖片來源：克里斯托弗·麥肯尼/佐治亞理工學(xué)院）

石墨烯的“帶隙”之旅

那么,，石墨烯究竟是如何有了帶隙的呢,？

石墨烯帶隙的打開主要有兩種方式：一種是納米帶方法，這種方法是將石墨烯切割或塑造成極其細(xì)小的納米帶,。通過納米加工技術(shù),，現(xiàn)在可以以接近原子級的精度制造石墨烯納米帶。在這些納米帶中,，由于量子限制效應(yīng),，電子被限制在一個維度上活動，從而導(dǎo)致帶隙的打開,。這種方法的挑戰(zhàn)在于制造過程的復(fù)雜性和樣品間的變異性,，這使得在大規(guī)模生產(chǎn)上存在困難，尤其是在滿足消費電子產(chǎn)品需求的規(guī)模上,；另一種是基底相互作用法,，它是利用石墨烯與其生長基底之間的相互作用來創(chuàng)建帶隙。這種方法通常涉及選擇特定的基底材料和調(diào)整生長條件,，以改變石墨烯的電子性質(zhì),。

佐治亞理工學(xué)院的物理學(xué)教授沃爾特·德·希爾(Walter de Heer)及天津大學(xué)馬雷教授團隊所采用的方法正是第二種。

他們的工作專注于在碳化硅（SiC）上生長石墨烯“緩沖層”,。其實,，早在2008年人們就已經(jīng)知道在SiC上形成的石墨烯緩沖層可能是半導(dǎo)體，但獲得晶圓級樣品一直是一個挑戰(zhàn),。

它們通過加熱半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC），待表面的硅原子從SiC晶體表面升華后,，會留下一個富含碳的層,，豐富的碳表明可以重新結(jié)晶生成具有石墨烯結(jié)構(gòu)的多層。也就是說這是在SiC晶體上自發(fā)形成的石墨烯,。他們中的部分與SiC表面共價鍵合,，這個緩沖層的光譜測量表現(xiàn)出半導(dǎo)體特征。

問題來了,，這個自發(fā)形成的石墨烯外延層與SiC基底的鍵合是無序的,，導(dǎo)致了其遷移率極低，僅為1 cm2V?1s?1,，與其他具有室溫遷移率高達(dá)300 cm2V?1s?1的二維半導(dǎo)體相比較差得太遠(yuǎn),。

于是，該研究團隊采用了一種準(zhǔn)平衡退火方法：如下圖b所示,，通過將兩個SiC芯片夾在一起,，使得上層芯片的硅面與下層芯片的碳面相對,，創(chuàng)造了一個受控環(huán)境，他們稱之為是“三明治法”,，這樣可以抑制石墨烯的生長,。在1 bar的超純氬氣中，溫度約1600°C,，可以生長出均勻覆蓋有緩沖層的大型原子級平坦臺地,。結(jié)果是SEG晶格不僅能與SiC基底對齊，而且它在化學(xué),、機械和熱方面都非常穩(wěn)定,，可通過傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造技術(shù)進行圖案化，并與半金屬外延石墨烯無縫連接,。這些基本屬性使得SEG適用于納米電子學(xué),。

外延石墨烯（SEG）的生產(chǎn)過程：a，一個封閉的圓柱形石墨坩堝內(nèi)裝有兩塊3.5毫米×4.5毫米的硅碳化物（SiC）芯片,，坩堝通過石英管內(nèi)的一個漏洞供應(yīng),。坩堝由無線電頻率源引起的渦流加熱。b,，兩個芯片堆疊,，底部芯片（源）的碳（C）面朝向頂部芯片（種晶）的硅（Si）面。在高溫下,，芯片之間的輕微溫差導(dǎo)致從底部芯片到頂部芯片的凈質(zhì)量流動,，從而在種晶芯片上通過階梯流生長出大型臺地，并在其上生長出均勻的SEG薄膜,。

SEG的生長又分為三個階段,。在第一階段，芯片在真空中加熱至900°C大約25分鐘,，這個過程的目的是清潔芯片表面,，去除可能影響后續(xù)生長過程的雜質(zhì)或殘留物；第二階段,，樣品的溫度被提高到1300°C,，同樣持續(xù)大約25分鐘，但這次是在1 bar的氬氣環(huán)境中,。這個溫度和環(huán)境的組合促使形成規(guī)則排列的雙層硅碳化物（SiC）階梯和大約0.2微米寬的臺地,。這些臺地是后續(xù)SEG生長的基礎(chǔ)；第三階段,，生長環(huán)境的溫度進一步提升至1600°C,，同樣在1 bar的氬氣中。這個高溫階段導(dǎo)致所謂的“階梯聚集”和“階梯流”，最終形成了大型的原子級平坦臺地,。在這些臺地上,，在C面（碳面）和Si面（硅面）之間形成的準(zhǔn)平衡條件下，SEG的緩沖層得以生長,。

外延石墨烯（SEG）的生產(chǎn)過程的三個階段

最終,，他們的研究取得了顯著的進展，成功在SiC上形成了一層帶隙約0.6電子伏的石墨烯緩沖層,，這大約是硅（1.1 eV）的一半,，接近鍺（0.65 eV），且比SiC（3eV）的帶隙窄得多,。據(jù)佐治亞理工學(xué)院博客稱,，他們完善這種材料花了十年時間。

外延石墨烯的發(fā)現(xiàn)不僅對于石墨烯的應(yīng)用范圍是一大突破,，可能會引起電子領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變,。但是需要明確的是，石墨烯不是要取代硅材料,，而是很大可能作為一個輔助材料,。石墨烯緩沖層的這一突破為“超越硅”的技術(shù)提供了新的動力，特別是在寬帶隙和超寬帶隙半導(dǎo)體領(lǐng)域,，如電動汽車的電力電子以及航天器電子產(chǎn)品,，SiC基底的應(yīng)用潛力被進一步擴展。同時,，這也推動了對于在SiC上集成不同功能設(shè)備,，如傳感器和計算邏輯組件的深入研究，這對于可再生能源的發(fā)展及其不穩(wěn)定輸入的管理至關(guān)重要,。

石墨烯的未來：有鮮花也有荊棘

石墨烯的卓越特性其實早就引起了許多大公司的關(guān)注,，紛紛投入資源進行石墨烯領(lǐng)域的探索。特別是在石墨烯電池研究方面,，它被視為理想的“超級電容器”材料,。這種超級電容器能像傳統(tǒng)電池一樣存儲電流，但其充放電速度快得驚人,。三星、華為和LG電子等公司已在石墨烯電池技術(shù)上有所布局,。最近,，韓國媒體報道稱，三星電子和LG電子正加速開發(fā)基于石墨烯的組件,，旨在提升半導(dǎo)體和家電產(chǎn)品的耐用性與能源效率,。

三星高級技術(shù)學(xué)院（SAIT）早在2017年便宣布推出名為“石墨烯球”的創(chuàng)新電池材料，這種材料顯示出相比標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池45%的增加存儲容量和5倍的快速充電能力,。然而,，自那以后,，關(guān)于這項技術(shù)的進展鮮有報道。據(jù)IDTechEx的主管Khasha Ghaffarzadeh指出,，盡管三星取得了一些引人注目的成果,，但距離實現(xiàn)商業(yè)化仍有相當(dāng)長的路要走。

相信隨著此次石墨烯外延半導(dǎo)體（SEG）的新進展,，預(yù)計會吸引更多半導(dǎo)體領(lǐng)域的公司加入這一行列,。從增強復(fù)合材料到革命性的能源存儲解決方案，石墨烯展現(xiàn)出能夠重塑未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的潛力,。不過,，需要注意的是，石墨烯從實驗室到商業(yè)化生產(chǎn)的過渡仍面臨多個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

高初始資本需求：石墨烯的生產(chǎn)通常需要昂貴的設(shè)備和技術(shù),，這對于大多數(shù)初創(chuàng)企業(yè)來說是一個重大負(fù)擔(dān),。這些企業(yè)可能難以獲得足夠的資金來支持這種規(guī)模的生產(chǎn)。

技術(shù)和市場不確定性：雖然石墨烯的潛力巨大,，但它的商業(yè)應(yīng)用仍然處于起步階段,。這種不確定性可能會使大公司猶豫不決，它們通常更傾向于投資于已被證實具有穩(wěn)定回報的技術(shù)和市場,。

規(guī)?；a(chǎn)的挑戰(zhàn)：盡管在實驗室中可以制造高質(zhì)量的石墨烯，但將這些過程擴展到工業(yè)規(guī)模仍然是一個技術(shù)挑戰(zhàn),。保持質(zhì)量的同時大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯,，需要解決許多工程和材料學(xué)問題。

投資回報周期：對于大型企業(yè)來說,，石墨烯投資的回報可能需要較長時間才能顯現(xiàn),，這與它們通常期望的快速回報周期不符。

盡管面臨許多挑戰(zhàn),，此次石墨烯緩沖層的成功生長不僅標(biāo)志著石墨烯材料自身的一個重大突破,，也為我們在半導(dǎo)體材料的未來應(yīng)用中打開了一扇窗。

寫在最后

如今,，為了繼續(xù)推進集成電路的發(fā)展,，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對未來電子學(xué)的核心材料、器件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)架構(gòu)進行了廣泛探索和深入研究,。而值得一提的是,，在新材料的研究行列中，中國的研究學(xué)者在其中的角色愈發(fā)凸顯,。除了此次天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心的馬雷教授研究團隊對半導(dǎo)體石墨烯外延的貢獻之外,，北京大學(xué)的張志勇-彭練矛團隊在先進節(jié)點碳基集成電路領(lǐng)域取得重要進展,，碳納米管晶體管已經(jīng)展現(xiàn)出超越商用硅基晶體管的潛力,，因此在未來的數(shù)字集成電路應(yīng)用中被寄予厚望，他們探索了將碳基晶體管進一步縮減到10 nm節(jié)點的可能性【2】。

我們可以預(yù)見到一個多功能的半導(dǎo)體材料集成時代的到來,，這將極大地擴展現(xiàn)有硅基電子學(xué)的應(yīng)用邊界,。