石墨烯真能造芯片了？天津大學納米中心攻破技術難關

　　“后摩爾時代，放過石墨烯 （Graphene）吧。”這是兩年前中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范說過的話。石墨烯，一個“新材料之王”，一個曾經在2021年在“全球IEEE（電氣和電子工程師協會）國際芯片導線技術會議”定位為下一代新型半導體的材料，曾經掀起過不小風潮。

　　但彼時，各種概念肆虐，石墨烯電暖氣、石墨烯化妝品，甚至是石墨烯內衣，就像曾經的納米水、光催化和負氧離子空氣凈化器一樣，一度讓人們認為石墨烯的產品都是“騙人的”。可以說，石墨烯早就被營銷“玩爛了”。

　　而且，更為重要的是，直到去年為止，石墨烯都沒有“帶隙”，帶隙是0意味著，石墨烯就是導體。也就是說，石墨烯之前連允許允許半導體打開和關閉的功能都不存在，更別說引發半導體和電子學革命了，而且這種難題一卡就是幾十年。

　　那么，之前學界各種“鼓吹”石墨烯晶圓又是何物？在當時，大多數所謂“石墨烯材料”的碳含量不超過60%，意思就是，有超過40%的石墨烯材料成分連碳都不是。

　　但在最近，這種問題終于有了希望得以解決，一個由石墨烯制成的功能半導體，終于來了。

　　 電子產品打開新的大門

　　日前，佐治亞理工學院的物理學教授沃爾特·德·希爾（Walter de Heer）及天津大學馬雷教授團隊就創造了世界上第一個由石墨烯制成的功能半導體（Functional Graphene Semiconductor）。

　　研究團隊使用特殊熔爐在碳化硅（SiC）晶圓上生長石墨烯時取得突破。他們生產了外延石墨烯，這是在碳化硅晶面上生長的單層。研究發現，當制造得當時，外延石墨烯會與碳化硅發生化學鍵合，并開始表現出半導體特性。該項突破為開發全新電子產品打開了大門。研究發表在《自然》雜志上。

　　根據研究人員的說法，他們想把石墨烯的三個特殊特性引入電子產品內，這樣就可以處理非常大的電流，獲取更高效率，與此同時溫度不會升高到很離譜的程度。

　　石墨烯即單層石墨, 碳原子以sp2雜化軌道組成六角形，呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列的單層二維晶體。它具有超薄（1毫米厚的鱗片石墨=300萬片石墨烯）、超輕、（動物毛發可以支撐起紅棗大小的石墨烯氣凝膠）、超強（完美石墨烯膜制作成保鮮膜蓋在杯子上坐一頭大象才能讓其破裂）的特性。

　　石墨烯是二維材料的“天才”，電性能遠超目前正在開發的任何其他二維半導體。它擁有電荷載流子高遷移率（15000 c㎡/V·S）、雙極場效應、高導熱性能（3000 W/m·k）等特點，同時具有優異的電學性能以及機械性能。優異性質使得石墨烯在納米帶晶體管、氣體傳感器、超級電容器及透明導電電極等許多領域都有很強的適用空間。

　　 解決石墨烯半導體關鍵問題

　　石墨烯電子學中一個長期存在的問題是，石墨烯沒有正確的帶隙，結構完整的本征石墨烯的帶隙為零，呈現金屬性。它特殊的波紋狀價帶和導帶實際上是連在一起的，不能以正確的比例開關。所有晶體管和硅電子器件的工作都需要帶隙，多年來，許多人試圖用各種方法來解決這個問題。

　　科學家曾經通過把石墨烯制造成奇特的形狀，如帶狀來獲取帶隙，也曾經通過量子約束或化學功能化來改變帶隙。但在這項成果發布前，都未能成功制造出可行的半導體石墨烯，要么操作難度太大， 要么太小了（比如，100meV左右），這對電子工程應用來說還是太小了。

　　關于石墨烯半導體帶隙問題的研究，制表｜電子工程世界

　　而這一成果就是解決了帶隙問題，通過在特定碳化硅晶面上退火石墨烯，讓石墨烯能夠像硅一樣工作，是實現石墨烯基電子產品的關鍵一步，為利用石墨烯非凡能力的技術新時代鋪平了道路。與此同時，他們研究的能夠進一步實現量子計算。

　　該團隊表示，他們證明了單晶碳化硅襯底上的半導體外延石墨烯（Semiconducting Epigraphene，SEG）具有0.6 eV的帶隙和5500 c㎡/V·S的室溫電子遷移率（摘要中標注的是超過5000c㎡/V·S，2023年2月第一版論文則是4000 c㎡/V·S），比硅高出3倍，比其它二維半導體高20倍。

　　注釋：外延石墨烯（Epigraphene）指的是在碳化硅晶體上自發形成的石墨烯，當硅在高溫下從表面升華時導致富碳表面重結晶成石墨烯。

　　與此同時，以SEG-on-SiC制造的原型FET導通-關斷比可達10^4，優化后器件的導通-關斷比10^6。（對比來看，目前高性能GaN HEMT器件導通-關斷比可達2 x 10^9～1 x 10^10）

　　圖源｜Nature

　　“對我們來說，我們現在就像過去的萊特兄弟一樣，他們建造了一架可以在空中飛行300英尺的飛機。但懷疑者反問道，‘火車和輪船已經很快了，為什么我們還要翱翔天際？’雖然如此，萊特兄弟還是堅持下來了，而我們所研究的石墨烯半導體，正是如此，這是一個可以帶人們翻閱大洋的技術。”Walter de Heer如是說。

　　制備難題能被解決嗎？

　　雖然石墨烯能隙這個問題有了解決方法，但要讓石墨烯半導體真正應用到產業，還存在著第二個問題——如何大規模生產。

　　研究中，比較關鍵的點在于SEG晶格與SiC襯底對齊，在化學、機械和熱學方面都具有堅固性，可以使用傳統的半導體制造技術進行圖案化并無縫連接到半金屬外延石墨烯上。

　　用人話解釋就是，石墨烯在碳化硅襯底上直接生長的優勢在于：

　　省卻石墨烯轉移步驟，避免了轉移過程對石墨烯薄膜造成的污染及損傷；

　　可與現在的硅工藝兼容從而便于實現大規模量產；

　　生長溫度和石墨烯形成率都是可控的。

　　總的來說，研究中，石墨烯大規模應用更方便了，但在現階段，實現大規模應用還有很大差距，遠不及硅，主要有三個問題表現：

　　半導體領域中石墨烯只能用CVD法制備，價格昂貴，成品率低，如何實現石墨烯規模化生產是個亟待解決的問題；

　　石墨烯作為一種2D平面材料，有較嚴重量子效應，邊緣態和晶態均很大程度影響電子結構和電性質；

　　需要深入研究石墨烯的導電性，使石墨烯集成電路有更優異的性能。

　　以上問題體現在產業中，就是制備起來貴：利用化學沉積法制備石墨烯的工藝價格昂貴，無法規模化生產；外延生長法制備的石墨烯層數無法準確控制；機械剝離法效率低價格高；Hummer 法制備石墨烯結構受到破壞。難點在于石墨烯的剝離、生長以及規模化制備的不一致性、不穩定性和低質量。

　　也就是說，迄今我們還沒有規模化制備石墨烯產品的能力，產品要走出實驗室、規模化發展，需要具有很高的質量和極強的一致性、穩定性。只有找到一種價格低廉，同時在技術成熟度、獲取方便度方面都有所突破，石墨烯才能真正進入產業。

　　 重新審視過度炒作的受害者

　　被譽為“石墨烯之父”的諾貝爾物理學獎得主安德烈·蓋姆（Andre Geim）前一陣曾經說過，石墨烯是過度炒作的受害者。

　　實際上，我們探索石墨烯的路，已經走了很遠很深了，理論上，石墨烯的研究已經有60多年的歷史，這一路上，我們克服了重重困難：

　　起初，研究者指出二維晶體是熱力學不穩定, 不能單獨存在，石墨烯一直被視為一種理論上的材料。直到2004年, 英國物理學家安德烈·蓋姆和俄羅斯物理學家康斯坦丁·諾沃肖洛夫在實驗室研究石墨烯的過程中，用透明膠帶反復剝離石墨，直至石墨只剩下單層薄片，這就是石墨烯。為此，兩人共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

　　雖然石墨烯已經被夸大宣傳而變的“妖魔化”，但事實上，石墨烯的未來依然廣闊。包括集中電路、場效應晶體管、大功率LED散熱、可穿戴電子器件、石墨烯化學傳感器等各種應用。

　　這一次，石墨烯的一大關鍵問題被解決，也就是說，石墨烯半導體真正有希望了。此時，我們要重新審視石墨烯這一材料了。

　　當然，也并不是說就要大炒特炒，再次上演一次“石墨烯營銷熱”，石墨烯材料還是應該找到自己真正的應用突破口，最終目標并不是完全替代硅，而是創造出自己的一條路。就像碳化硅和氮化鎵一樣，為半導體制造和下游產品，給出更多選擇。