全球首个石墨烯半导体发表在Nature，中国团队将摩尔定律寿命再延长10年

全球首个石墨烯半导体发表在Nature，中国团队将摩尔定律寿命再延长10年

石墨烯太棒了！ 天津大学和佐治亚理工学院的研究人员创造了世界上第一个由石墨烯制成的半导体。 打开石墨烯带隙，实现了从0到1的里程碑式突破。摩尔定律还能再活十年。

硅是所有电子产品的终结吗？

这个纪录被石墨烯打破了！

天津大学和佐治亚理工学院的研究人员创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体。

该团队的突破打开了新电子产品的大门。 研究已登上。

论文地址：

该研究成功攻克了长期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。

有网友惊呼：这简直掀起了一场电子革命。 外延石墨烯的突破可以让“摩尔定律”的寿命再延长几十年！

事实证明，硅仅仅是一个开始。

这一发现可能会永远改变计算和电子产品。

石墨烯研究数十年的障碍已被克服

半导体是在一定条件下导电的材料，是电子设备的基本组成部分。

该团队的发现恰逢硅的性能达到极限。

过去，硅是几乎所有现代电子产品的原材料，但越来越快的计算和越来越小的电子设备让这条路线日益捉襟见肘。

CEO黄仁勋经常说摩尔定律已经死了。

这时候，石墨烯大显身手了！

石墨烯是由已知最强的键结合在一起的单片碳原子

要知道，天然石墨烯不是半导体，也不是金属，而是半金属。

然而，由佐治亚理工学院物理学教授德赫尔领导的团队创​​造了一种与传统微电子加工方法兼容的石墨烯半导体。

因此，这种半导体可以成为硅的替代品。

为什么之前没有人想到用石墨烯来代替硅呢？

这是因为几十年来困扰石墨烯研究的最大障碍之一是许多人坚信石墨烯不能充当半导体。

障碍在于石墨烯没有“带隙”。

此时，受激电子可以从一个能带跃迁到另一个能带。 这有效地打开和关闭电流，从而控制导电开关，同时创建数字计算机中使用的 0 和 1 的二进制系统。

显示导体、半导体和绝缘体不同尺寸带隙的带隙图

德希尔教授和他的团队克服了这一障碍。

德赫尔教授表示，“现在我们拥有非常坚固的石墨烯半导体，其迁移率是硅的10倍，并且具有硅所不具备的独特性能。”

“但这十年来，我们每天绞尽脑汁做的事情是——我们能不能把石墨烯材料做得更好，把它变成半导体？”

他20年前就知道石墨烯的潜力

石墨烯的名声与两位英国科学家10年“亲手撕开透明胶带获得诺贝尔奖”的故事有关。

但甚至在此之前，许多人就相信石墨烯在电子领域的潜力。

当石墨烯堆叠成片状时，可以形成具有独特性能的晶体透明结构，被称为“奇迹材料”。

石墨烯是已知最薄、最轻的材料之一，据估计其硬度比金刚石高，强度比结构钢高约 100 至 300 倍。

一平方米的石墨烯重量仅为0.0077克，但却可以支撑4公斤的重量。 它还可以弯曲其长度的 20% 而不会断裂。

石墨烯中碳原子的蜂窝状排列促进了电子的自由运动。 超高的载流子迁移率使得电子运行速度非常快，从而实现了许多酷炫的科幻材料特性，例如触摸屏、隐形飞机等。

在其职业生涯早期，De Heer 教授开始探索碳基材料作为潜在半导体的能力，并于 2001 年将注意力转向二维石墨烯。

该团队希望将石墨烯的三大特性引入到电子产品中：1.强度高；2. 2、可承受大电流； 3、无需加热、无需分离即可工作。

在实验过程中，团队想到了使用特殊的熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯。

他们取得了突破，生产出了在碳化硅晶体表面上生长的单层外延石墨烯。

他们发现，如果制作正确，外延石墨烯将与碳化硅发生化学结合，并开始表现出半导体特性。

佐治亚理工学院的团队在接下来的十年里与天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心合作研究这种材料。

马磊 TICNN 主任

关键突破：向系统“捐献”电子，迁移率比硅高10倍

当然，石墨烯既不是半导体也不是金属，而是半金属。

带隙是一种在施加电场时打开和关闭的材料。 所有晶体管和硅电子器件都是依靠这个原理来工作的。

石墨烯电子学研究的主要问题是如何打开和关闭带隙，使石墨烯具有像硅一样的性能。

但如果你想制造功能晶体管，大部分半导体材料必须是可控的，这可能会破坏石墨烯的特性。

为了证明石墨烯可以充当半导体，该团队需要在不损坏石墨烯的情况下测量其电子特性。

研究人员将原子放在石墨烯上，并向系统“捐赠”电子——一种称为“掺杂”（）的技术，以查看该材料是否是良导体。 这样，就不需要损坏石墨烯的材料或性能。

研究人员使用加热的碳化硅晶片迫使硅在碳之前蒸发，从而有效地在表面留下一层石墨烯。

结果表明，石墨烯半导体的迁移率比硅高10倍。

电子可以以极低的阻力移动，这意味着电子设备的计算速度更快。

“这就像在碎石路上行驶，而不是在高速公路上行驶。前者效率更高，不会升温太多，而且速度很快，可以让电子快速移动，”德希尔教授解释道。

这种石墨烯产品是目前唯一具有纳米电子学必备性能的二维半导体，其电子性能远优于目前正在开发的其他二维半导体。

论文共同作者、天津国际纳米粒子与系统研究中心主任马磊表示——

石墨烯电子器件的一个长期存在的问题是石墨烯没有合适的带隙来以正确的比例打开和关闭。 我们的技术实现了带隙，这是实现基于石墨烯的电子产品中最关键的一步。

莱特兄弟时刻

这种外延石墨烯很可能会引起电子领域的范式转变，并催生许多新技术。

它将允许利用电子的量子力学波特性，这是量子计算所需的。

根据德希尔教授的预测，我们可以期待下一代电子产品的问世。 在硅出现之前，就有了真空管，在此之前，就有了电线和电报机。

在电子学的历史上，硅在一段时间内只是一种形式。 下一步可能是石墨烯。

德希尔教授表示，对他来说，这就像“莱特兄弟”的时刻。

莱特兄弟制造了一架可以在空中飞行 300 英尺的飞机。 怀疑论者会问：既然我们已经有了火车和轮船，为什么世界还需要飞机呢？ 但他们坚持了下来，从那时起，飞机就能够载人穿越海洋。

超高迁移率半导体

石墨烯缺乏固有的带隙。 在过去的二十年中，通过量子限制或化学功能化来改变带隙的尝试并未成功。

在这项工作中，研究人员证明了单晶碳化硅衬底上的半导体外延乙烯（SEG）的带隙为0.6 eV，达到了5000以上

室温迁移率是硅的10倍，是其他二维半导体的20倍。

——也就是说，可行的半导体石墨烯诞生了。

当硅从碳化硅晶体表面蒸发时，富碳表面结晶形成石墨烯多层膜。 形成在SiC的硅端面上的第一石墨层是绝缘表皮层，其部分地与SiC表面共价键合。

缓冲层的光谱测量显示出半导体特性，但该层的迁移率由于无序而受到限制。

在本文中，研究人员展示了一种准平衡退火方法，该方法可以在宏观原子平坦的平台上产生 SEG（即有序缓冲层），并且 SEG 晶格与 SiC 衬底对齐。

SEG 具有化学、机械和热稳定性，可以使用传统的半导体制造技术进行图案化，并无缝附着到半金属石墨烯上。 这些基本特性使 SEG 适用于纳米电子学。

SEG的诞生过程

如下图（a）（b）所示，传统的表观石墨烯和缓冲层在封闭的受控升华（CCS）炉中生长，其中3.5mm×4.5mm的半绝缘SiC芯片在圆柱形石墨坩埚中在1巴压力下生长。 在Ar中退火，温度范围为1300°C至1600°C（如下图（c）所示）。

坩埚通过射频源在线圈中感应出的涡流进行加热。 坩埚内有小泄漏。 硅从坩埚中逸出的速率决定了石墨烯在表面形成的速率。 因此，控制生长温度和石墨烯形成速率。

将两个芯片堆叠在一起，底部芯片（种子）的 C 面面向顶部芯片（种子）的 Si 面。

在高温下，芯片之间的微小温差导致从底部芯片到顶部芯片的净质量流，逐渐在种子芯片上生长大的平台并在其上生长均匀的SEG薄膜。

SEG的成长分为三个阶段：

第一阶段，将芯片在真空中加热至900°C约25分钟，以清洁表面；

在第二阶段，将样品在 1 bar 的 Ar 中加热至 1,300°C 约 25 分钟，产生双层 SiC 台阶的规则阵列，台阶宽度约为 0.2 μm。

在第三阶段，SEG涂层平台在1600°C和1巴的Ar中生长，其中阶梯聚束和阶梯流产生大的原子平坦平台，并且缓冲层在C面和C面之间建立的准平衡条件下生长。 Si平面。 。

该过程中最重要的参数是温度T、芯片之间的温差ΔT和退火时间t。 当T=1600～1700℃时，退火时间通常为1～2小时。 温差 ΔT 取决于坩埚设计，估计约为 10°C，以提供两个芯片之间充分传质所需的蒸气压差。

SEG 表征

下图 (a) 显示了 3.5 mm × 4.5 mm 晶圆的复合电子显微镜 (SEM) 图像。

SEM 经过调整，可提供 SiC（白色区域）和 SEG（灰色区域）之间的鲜明对比。 大约 80% 的表面被 SEG 覆盖。 石墨烯将显示为暗斑（此处看到的黑点是灰尘颗粒）。 最大无台阶区域约为0.5mm×0.3mm。

图 (b) 是使用扫描隧道显微镜 (STM) 获得的 SEG 低温原子分辨率图像。

STM 图像显示了空间划分的石墨烯蜂窝晶格（绿色）

由于与基底的部分共价键合，超周期结构（红色菱形和紫色六边形）的调制，对应于约 100 pm 的 SEG 高度调制。

使用低能电子衍射 (LEED) 来识别 SEG 并验证它们与 SiC 衬底的原子配准。

上图(c)是SEG晶格的特征6√3×6√3 R30°衍射图(LEED)，显示了SEG的石墨烯晶体结构，以及SEG相对于SiC原子的晶体排列基质。 在常规生产的缓冲层样品中不存在丰富的石墨烯痕迹。

图(d)是50μm×50μm面积的拉曼图，分辨率为1μm。 拉曼光谱 (1–100 μm) 对石墨烯和 SEG 非常敏感。 通过其强特征二维峰可以轻松检测到痕量石墨烯。 鉴定结果显示，表面没有石墨烯存在。

图 (e) 显示了 SEG 的低温 STS 图像，将 SEG 的态密度 (DOS) 映射为费米能量的函数。 图像显示清晰的带隙为 0.6 eV。

SEG传输特性

图（a）显示样品的电导率随着温度的升高而单调增加。 室温电导率范围为1e-3 S至8e-3 S，对应电阻率ρ为125Ω至330Ω。 低温值最多可降低1000倍。

图 (b) 代表电荷密度，STS 测量表明 SEG 本质上是电荷中性的，因此充电是由环境气体（包括痕量的挥发性有机化合物）和光刻过程中的残余电阻引起的。

图（d）显示材料的迁移率随着温度的升高而增加，在较高的温度下趋于饱和。 测量的最大移动度为 5500

。

室温 SEG 电导率、电荷密度和迁移率均在 的典型范围内。 然而，温度依赖性与具有深体态的掺杂半导体类似。

根据测量的半导体和 DOS，我们可以预测场效应晶体管的响应：

面板 (a) 使用计算的 DOS 预测 SEG 沟道电阻率，假设完美的电介质和 SEG 迁移率为 4000

，室温开关比预计将超过1e6。

图(b)显示了电荷密度与费米之间的关系。 在T=300K时，N支路和P支路的导通电压预计分别为+0.34V和-0.23V。

参考

本文来自微信公众号，作者：新智元，36氪授权发布。