石墨烯，半导体的新希望？

石墨烯，半导体的新希望？

在电子发展中，硅材料一直占据着主导地位，但随着摩尔定律的不断发展，硅基材料的物理极限逐渐显现出来。 今天，我们正站在工业革命的门槛上。 各种材料正在被各行各业探索。 SiC、GaN等宽带隙半导体材料就是成功案例之一。 最新的热门话题是石墨烯。

自从2004年曼彻斯特大学切尔诺戈洛夫卡微电子研究所的两位教授发现石墨烯以来，石墨烯一直被誉为一种神奇材料。 石墨烯，一种由单层碳原子组成的二维材料，具有三大优异特性：1）极其坚固，石墨烯比钢强200倍以上； 2）极高的载流子迁移率； 3）导热系数极高，这意味着石墨烯可以有效散热，防止电子设备过热。 石墨烯似乎是电子工业的一种优秀材料，但石墨烯是一种无带隙材料，缺乏开关晶体管的关键特性。 因此，近20年来，人们一直致力于在石墨烯中“打开带隙”，这是石墨烯商业化应用之前首先要解决的问题。

石墨烯于 2004 年通过在一块石墨上粘贴透明胶带而被发现

美国佐治亚理工学院 de Heer教授和天津大学马磊教授团队的最新研究成功在石墨烯中创造了带隙，为石墨烯在半导体领域的应用开辟了新的可能性。 。 通过在SiC的生长过程中施加特定的约束，他们成功地证明了在单晶碳化硅衬底上生长的半导体外延石墨烯（SEG），带隙为0.6 eV，室温迁移率超过5000 cm²V⁻ 1s⁻1，是其10倍。硅的体积，是其他二维半导体的20倍。 石墨烯被证明效率更高，可以让电子以更快的速度穿过它。 说得更形象一点，这就像“汽车在碎石路上行驶和在高速公路上行驶是一样的”。 这一成果为石墨烯在半导体领域的应用开辟了新的可能性。

他们的研究成果于 1 月 3 日发表在《自然》杂志上（图片来源： /佐治亚理工学院）

石墨烯的“带隙”之旅

那么，石墨烯是如何具有带隙的呢？

打开石墨烯带隙的方法主要有两种：一是纳米带法，即将石墨烯切割或成型为极细的纳米带。 通过纳米制造技术，石墨烯纳米带现在可以以接近原子的精度制造。 在这些纳米带中，由于量子限制效应，电子被限制在一维移动，导致带隙打开。 这种方法面临的挑战是制造工艺的复杂性和样品之间的可变性，这使得大规模生产变得困难，特别是在满足消费电子产品需求的规模上； 另一种是基底相互作用法，即利用石墨烯与其生长基底之间的相互作用来产生带隙。 这种方法通常涉及选择特定的基材材料并调整生长条件以改变石墨烯的电子特性。

美国佐治亚理工学院物理学教授 de Heer和天津大学马雷教授团队采用的方法正是第二种方法。

他们的工作重点是在碳化硅（SiC）上生长石墨烯“缓冲层”。 事实上，早在2008年就已经知道在SiC上形成的石墨烯缓冲层可能是半导体，但获得晶圆级样品一直是一个挑战。

它们通过加热半导体材料碳化硅 (SiC) 来工作。 表面的硅原子从SiC晶体表面升华后，留下富碳层。 丰富的碳表明它可以重结晶形成具有石墨烯结构的多层。 换句话说，这是在SiC晶体上自发形成的石墨烯。 其中一些与 SiC 表面共价键合，该缓冲层的光谱测量显示出半导体特性。

问题在于，这种自发形成的石墨烯外延层与 SiC 衬底之间的键合是无序的，导致其迁移率极低，仅为 1 cm2V⁻1s⁻1，而其他材料的室温迁移率高达 300 cm2V⁻1s。相比之下，二维半导体要逊色得多。

因此，研究团队采用了准平衡退火方法：如下图b所示，通过将两块SiC芯片夹在一起，上层芯片的硅表面面向下层芯片的碳表面，创造一个受控环境，他们称之为它是“三明治法”，可以抑制石墨烯的生长。 在 1 bar、温度约 1600°C 的超纯氩气中，可以生长均匀覆盖缓冲层的大型原子级平坦平台。 其结果是 SEG 晶格不仅与 SiC 衬底对齐，而且具有化学、机械和热稳定性，可以通过传统的半导体制造技术进行图案化，并无缝连接到半金属外延石墨烯。 这些基本特性使 SEG 适用于纳米电子学。

外延石墨烯（SEG）的生产工艺： 封闭的圆柱形石墨坩埚内装有两块 3.5 mm × 4.5 mm 的碳化硅 (SiC) 碎片，坩埚通过石英管上的漏洞供给。 坩埚由射频源产生的涡流加热。 b，堆叠两个芯片，底部芯片（源）的碳（C）侧面向顶部芯片（种子）的硅（Si）侧。 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，从而通过阶梯流在种子芯片上生长大台面，并在其上生长均匀的SEG薄膜。 （来源：[1]）

SEG的成长分为三个阶段。 第一阶段，芯片在真空中加热至 900°C，持续约 25 分钟。 此工序的目的是清洁芯片表面，去除可能影响后续生长工艺的杂质或残留物； 在第二阶段，样品温度升至1300°C。 °C，再次持续约 25 分钟，但这次是在 1 bar 的氩气氛中。 这种温度和环境的结合促进了规则排列的双层碳化硅 (SiC) 台阶和约 0.2 微米宽的台面的形成。 这些平台是SEG后续成长的基础； 在第三阶段，生长环境的温度进一步升高至1600°C，同样是在1巴的氩气中。 这个高温阶段导致所谓的“阶梯聚集”和“阶梯流”，最终形成大的、原子级平坦的台面。 在这些平台上，SEG的缓冲层在C面（碳面）和Si面（硅面）之间形成的准平衡条件下生长。

外延石墨烯（SEG）生产过程的三个阶段（来源：[1]）

最终，他们的研究取得了重大进展，成功在SiC上形成了带隙约为0.6电子伏的石墨烯缓冲层，约为硅（1.1 eV）的一半，接近于锗（0.65 eV），并且大大提高了石墨烯缓冲层的性能。比 SiC 的带隙 (3eV) 更窄。 据佐治亚理工学院博客称，他们花了十年时间来完善这种材料。

外延石墨烯的发现不仅是石墨烯应用范围的突破，还可能引起电子领域的范式转变。 但需要明确的是，石墨烯不会取代硅材料，而很可能作为辅助材料。 石墨烯缓冲层的这一突破为“超越硅”技术提供了新的动力，特别是在宽带隙和超宽带隙半导体领域，例如电动汽车的电力电子器件和航天器电子器件。 SiC衬底的应用潜力进一步扩大。 同时，这也推动了在SiC上集成不同功能器件（例如传感器和计算逻辑组件）的深入研究，这对于可再生能源的发展及其不稳定输入的管理至关重要。

石墨烯的未来：有花有刺

石墨烯优异的性能其实早就吸引了很多大公司的关注，纷纷投入资源探索石墨烯领域。 特别是在石墨烯电池研究中，它被视为理想的“超级电容器”材料。 超级电容器像传统电池一样储存电力，但充电和放电的速度令人难以置信。 三星、华为和LG电子等公司已经在石墨烯电池技术方面做出了计划。 近日，韩国媒体报道称，三星电子和LG电子正在加速开发基于石墨烯的组件，以提高半导体和家用电器的耐用性和能源效率。

三星高级技术学院 (SAIT) 早在 2017 年就宣布推出一种名为“石墨烯球”的创新电池材料，与标准锂离子电池相比，其存储容量增加了 45%，充电速​​度提高了 5 倍。 。 然而，自那时以来，这项技术的进展几乎没有报道。 该公司高管表示，尽管三星取得了一些令人瞩目的成果，但距离商业化还有相当长的路要走。

相信随着石墨烯外延半导体（SEG）的这一新进展，有望吸引更多半导体领域的企业加入这一行列。 从增强复合材料到革命性的储能解决方案，石墨烯展现了重塑未来技术和行业的潜力。 但值得注意的是，石墨烯从实验室向商业化生产的转变仍面临几个关键挑战：

初始资本要求高：石墨烯的生产往往需要昂贵的设备和技术，这对大多数初创企业来说是一个沉重的负担。 这些公司可能很难获得足够的资金来支持这种规模的生产。

技术和市场的不确定性：虽然石墨烯潜力巨大，但其商业应用仍处于起步阶段。 这种不确定性可能会让大公司犹豫不决，它们通常更愿意投资于回报率已得到证实的技术和市场。

扩大生产的挑战：尽管可以在实验室中制造高质量的石墨烯，但将这些工艺扩大到工业规模仍然是一个技术挑战。 在保持质量的同时大规模生产石墨烯需要解决许多工程和材料科学问题。

投资回收周期：对于大型企业来说，石墨烯投资的回报可能需要更长的时间才能实现，这与他们通常期望的快速投资回收周期不一致。

尽管面临诸多挑战，石墨烯缓冲层的成功生长不仅标志着石墨烯材料本身的重大突破，也为我们未来在半导体材料的应用打开了一扇窗。

写在最后

如今，为了继续推动集成电路的发展，学术界和工业界对未来电子的核心材料、器件结构和系统架构进行了广泛的探索和深入的研究。 值得一提的是，在新材料研究中，中国科研人员的作用日益凸显。 除了天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心马磊教授研究团队在半导体石墨烯外延方面做出的贡献外，北京大学张志勇-彭联茂团队在先进节点碳领域也取得了重要进展基于集成电路。 碳纳米管晶体管已显示出超越商用硅基晶体管的潜力，因此在未来的数字集成电路应用中被寄予厚望。 他们探索了将碳基晶体管进一步缩小至 10 nm 节点的可能性 [2]。

我们可以预见，多功能半导体材料集成时代将极大扩展现有硅基电子产品的应用边界。

参考：

[1][碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯]（-上）

论文地址：

[2]【将阵列碳纳米管晶体管缩小至亚10纳米节点】（至亚10纳米节点）

论文地址：

本文来自微信公众号，作者：杜勤DQ，36氪经授权发布。