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(jìng)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(yù)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(jiān)固，石墨烯的強(qiáng)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(duì)于電子行業(yè)而言，看起來石墨烯是一個(gè)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(gè)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(tuán)隊(duì)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(zhǎng)過程中施加特定的限制，他們成功展示了生長(zhǎng)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(jí)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(gè)維度上活動(dòng)，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(fèi)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(zhǎng)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(zhǎng)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(tuán)隊(duì)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(zhǎng)石墨烯“緩沖層”,。其實(shí),，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(jí)樣品一直是一個(gè)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(huì)留下一個(gè)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(jià)鍵合,，這個(gè)緩沖層的光譜測(cè)量表現(xiàn)出半導(dǎo)體特征,。
問題來了，這個(gè)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(tuán)隊(duì)采用了一種準(zhǔn)平衡退火方法：如下圖b所示，通過將兩個(gè)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(duì),，創(chuàng)造了一個(gè)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(zhǎng),。在1 bar的超純氬氣中，溫度約1600°C,，可以生長(zhǎng)出均勻覆蓋有緩沖層的大型原子級(jí)平坦臺(tái)地,。結(jié)果是SEG晶格不僅能與SiC基底對(duì)齊，而且它在化學(xué),、機(jī)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(jìn)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(gè)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(gè)漏洞供應(yīng),。坩堝由無線電頻率源引起的渦流加熱,。b，兩個(gè)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(dòng),，從而在種晶芯片上通過階梯流生長(zhǎng)出大型臺(tái)地,，并在其上生長(zhǎng)出均勻的SEG薄膜。
SEG的生長(zhǎng)又分為三個(gè)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(gè)過程的目的是清潔芯片表面,，去除可能影響后續(xù)生長(zhǎng)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(gè)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(tái)地,。這些臺(tái)地是后續(xù)SEG生長(zhǎng)的基礎(chǔ),；第三階段，生長(zhǎng)環(huán)境的溫度進(jìn)一步提升至1600°C,，同樣在1 bar的氬氣中,。這個(gè)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(jí)平坦臺(tái)地,。在這些臺(tái)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(zhǎng),。
外延石墨烯（SEG）的生產(chǎn)過程的三個(gè)階段
最終,，他們的研究取得了顯著的進(jìn)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(shí)間。
外延石墨烯的發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)于石墨烯的應(yīng)用范圍是一大突破,，可能會(huì)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(gè)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(dòng)力,，特別是在寬帶隙和超寬帶隙半導(dǎo)體領(lǐng)域，如電動(dòng)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(jìn)一步擴(kuò)展,。同時(shí),，這也推動(dòng)了對(duì)于在SiC上集成不同功能設(shè)備,，如傳感器和計(jì)算邏輯組件的深入研究，這對(duì)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(shí)早就引起了許多大公司的關(guān)注,，紛紛投入資源進(jìn)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(jí)電容器”材料,。這種超級(jí)電容器能像傳統(tǒng)電池一樣存儲(chǔ)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(guó)媒體報(bào)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(jí)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(chǔ)容量和5倍的快速充電能力。然而,，自那以后,，關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展鮮有報(bào)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化仍有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。
相信隨著此次石墨烯外延半導(dǎo)體（SEG）的新進(jìn)展,，預(yù)計(jì)會(huì)吸引更多半導(dǎo)體領(lǐng)域的公司加入這一行列,。從增強(qiáng)復(fù)合材料到革命性的能源存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化生產(chǎn)的過渡仍面臨多個(gè)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(duì)于大多數(shù)初創(chuàng)企業(yè)來說是一個(gè)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(chǎng)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(huì)使大公司猶豫不決,，它們通常更傾向于投資于已被證實(shí)具有穩(wěn)定回報(bào)的技術(shù)和市場(chǎng)。
規(guī)?；a(chǎn)的挑戰(zhàn)：盡管在實(shí)驗(yàn)室中可以制造高質(zhì)量的石墨烯,，但將這些過程擴(kuò)展到工業(yè)規(guī)模仍然是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。保持質(zhì)量的同時(shí)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(bào)周期：對(duì)于大型企業(yè)來說，石墨烯投資的回報(bào)可能需要較長(zhǎng)時(shí)間才能顯現(xiàn),，這與它們通常期望的快速回報(bào)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(zhǎng)不僅標(biāo)志著石墨烯材料自身的一個(gè)重大突破,，也為我們?cè)诎雽?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(jìn)集成電路的發(fā)展,，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)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(jìn)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(guó)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(guó)際研究中心的馬雷教授研究團(tuán)隊(duì)對(duì)半導(dǎo)體石墨烯外延的貢獻(xiàn)之外,，北京大學(xué)的張志勇-彭練矛團(tuán)隊(duì)在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)碳基集成電路領(lǐng)域取得重要進(jìn)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(jìn)一步縮減到10 nm節(jié)點(diǎn)的可能性【2】,。
我們可以預(yù)見到一個(gè)多功能的半導(dǎo)體材料集成時(shí)代的到來，這將極大地?cái)U(kuò)展現(xiàn)有硅基電子學(xué)的應(yīng)用邊界,。
