打開石墨烯帶隙 開啟石墨烯芯片制造領(lǐng)域大門

4日，記者從天津大學(xué)獲悉，該校納米顆粒與納米系統(tǒng)國(guó)際研究中心的馬雷教授團(tuán)隊(duì)攻克了長(zhǎng)期以來阻礙石墨烯電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，在保證石墨烯優(yōu)良特性的前提下，打開了石墨烯帶隙，成為開啟石墨烯芯片制造領(lǐng)域大門的重要里程碑。該研究成果論文《碳化硅上生長(zhǎng)的超高遷移率半導(dǎo)體外延石墨烯》1月3日在線發(fā)表于國(guó)際期刊《自然》。

（天津大學(xué)供圖）

據(jù)介紹，石墨烯作為首個(gè)被發(fā)現(xiàn)可在室溫下穩(wěn)定存在的二維材料，未來在微電子學(xué)領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景。但其獨(dú)特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了“零帶隙”的特性，成為石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用的阻礙，這也是困擾石墨烯研究者數(shù)十年的難題。

馬雷團(tuán)隊(duì)通過對(duì)外延石墨烯生長(zhǎng)過程的精確調(diào)控，成功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。這種半導(dǎo)體石墨烯的電子遷移率遠(yuǎn)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(dú)特性質(zhì)。

“團(tuán)隊(duì)通過嚴(yán)格控制生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、時(shí)間及氣體流量，確保了碳原子在碳化硅襯底上能形成高度有序的結(jié)構(gòu)?！瘪R雷介紹。

據(jù)了解，該項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了三方面技術(shù)革新。首先，采用創(chuàng)新的準(zhǔn)平衡退火方法，制備出超大單層單晶疇半導(dǎo)體外延石墨烯（SEG），其具有生長(zhǎng)面積大、均勻性高，工藝流程簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的不足；第二，該方法制備的半導(dǎo)體石墨烯，擁有約600毫電子伏帶隙以及高達(dá)5500厘米平方每伏特秒的室溫霍爾遷移率，優(yōu)于目前所有二維晶體至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。高遷移率意味著，單位時(shí)間內(nèi)承載的信息量越高，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速率越快，處理信息的速度更快；最后，以該半導(dǎo)體外延石墨烯制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)比高達(dá)10000，基本滿足了工業(yè)化應(yīng)用需求。

隨著摩爾定律所預(yù)測(cè)的極限日益臨近，半導(dǎo)體石墨烯的出現(xiàn)為高性能電子器件帶來了全新的材料選擇，其突破性的屬性滿足了對(duì)更高計(jì)算速度和微型化集成電子器件不斷增長(zhǎng)的需求，也為整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)注入了新動(dòng)力。