自2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位物理學(xué)家首次從石墨中分離出石墨烯，這種神奇的材料便因其在光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)方面的優(yōu)異特性，成為諸多領(lǐng)域具有革命性的材料。特別是在微電子學(xué)領(lǐng)域，石墨烯被認(rèn)為是使人類從“硅時代”邁入“碳時代”的關(guān)鍵。
然而，要實(shí)現(xiàn)這一步跨越卻并不容易，其間有諸多必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)障礙，石墨烯的“零帶隙”特點(diǎn)便是其一。
不久前，天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心教授馬雷團(tuán)隊(duì)發(fā)布在《自然》雜志上的論文宣告該難題的最終解決，該成果被認(rèn)為是開啟石墨烯芯片制造領(lǐng)域大門的重要“里程碑”。
“零帶隙”阻礙人類進(jìn)入“碳時代”
作為首個被發(fā)現(xiàn)可在室溫下穩(wěn)定存在的二維材料，石墨烯因其獨(dú)特的碳原子排布，形成了特有的電子學(xué)特性。
接受《中國科學(xué)報》采訪時，馬雷表示，石墨烯因其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)使電子具有極高的遷移率，這意味著電子可以快速移動。例如，典型的懸浮石墨烯具有高達(dá)200000 cm2V-1s-1遷移率，而單晶硅的遷移率只有1000 cm2V-1s-1。這種高電子遷移率意味著具有更高的運(yùn)行效率和運(yùn)行速度。
除了高遷移率之外，作為二維材料，石墨烯器件還具有高集成度和低功耗的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得石墨烯材料有望成為人類從“硅時代”邁入“碳時代”的核心材料。
然而，正是由于“零帶隙”的特性，導(dǎo)致石墨烯目前仍然無法被應(yīng)用于大規(guī)模數(shù)字電路制造。
所謂帶隙，就是存在于兩個能帶之間的間隙。帶隙的存在是實(shí)現(xiàn)良好開關(guān)比的關(guān)鍵。這樣，才能有效地控制電流的開啟或關(guān)閉。
從這個角度來看，可以將“帶隙”比喻成安裝在石墨烯上的一種“開關(guān)”。當(dāng)有了這個“開關(guān)”時，石墨烯展現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，因此有效地完成數(shù)字電路功能。但是，如果沒有這個“開關(guān)”，石墨烯將一直處于“打開”的狀態(tài)，表現(xiàn)出金屬性質(zhì)，因此無法用于制造數(shù)字電路器件。
遺憾的是，盡管人類已經(jīng)成功制備出各種類型的石墨烯，但目前沒有一種既具有高遷移率，又具有帶隙的石墨烯。因此，尋找具備這種自帶“開關(guān)”功能的高遷移率石墨烯，成為了解決石墨烯在微電子領(lǐng)域應(yīng)用問題的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
被找到的“針”
天津大學(xué)馬雷團(tuán)隊(duì)解決這個難題的做法，聽起來并不復(fù)雜。
“簡單地說，我們通過選擇不同的碳化硅晶面作為襯底，供石墨烯在上面‘生長’，并在此過程中對石墨烯生長環(huán)境的溫度、時間及氣體流量等條件進(jìn)行精密調(diào)控，確保碳原子在碳化硅襯底上能形成高度有序的結(jié)構(gòu)。”馬雷說。
他表示，石墨烯作為單層的原子結(jié)構(gòu)，對外界的變化非常敏感。因此，其生長的“襯底”不同，就會導(dǎo)致石墨烯產(chǎn)生不同的性質(zhì)。但也正因如此，要找到能夠滿足科研人員預(yù)期特性的石墨烯非常具有挑戰(zhàn)性，無異于大海撈針。
好在，這根“針”最終還是被馬雷團(tuán)隊(duì)找到了。
據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的半導(dǎo)體石墨烯擁有約0.6電子伏（eV）的帶隙以及高達(dá)5500 cm2V-1s-1的室溫遷移率，優(yōu)于目前所有所知的二維半導(dǎo)體至少一個數(shù)量級；同時，以該材料制備的場效應(yīng)晶體管，擁有高達(dá)104的開關(guān)比。
據(jù)介紹，一個用來實(shí)現(xiàn)基本邏輯關(guān)系的電路，通常由“零”和“一”兩種狀態(tài)組成。然而，為了確保數(shù)字信息的正常傳輸和操控，必須清晰地區(qū)分這兩種狀態(tài)。如果‘零’和‘一’之間的區(qū)別不明顯，數(shù)字信息就容易混淆。為此，科學(xué)家們引用“開關(guān)比”來度量‘零’和‘一’，開關(guān)比的數(shù)值越大，表示‘零’和‘一’之間的區(qū)分度越高，混淆的可能性越低。
該團(tuán)隊(duì)成員表示，此前曾有人通過化學(xué)合成方式，得到過帶有帶隙的石墨烯納米帶，但這種方式獲得的石墨烯很難用于器件制造，更不具備半導(dǎo)體石墨烯所具有的高遷移率。
“總體而言，這種材料展現(xiàn)的特性可以符合當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用的需求。特別是其在室溫下的電子遷移率可以達(dá)到硅材料的10倍，因此在電子學(xué)器件的應(yīng)用中有望展現(xiàn)出卓越的性能。”馬雷說。
此外，在制備該半導(dǎo)體石墨烯時，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用了準(zhǔn)平衡退火方法，該方法制備的單層單晶半導(dǎo)體外延石墨烯（SEG）具有生長面積大、均勻性高，工藝流程簡單、成本低廉等特點(diǎn)。
讓“小帆船”長成“大航母”
長期以來，硅一直是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心材料。然而，隨著人們對算力需求的飛速增長，以及硅電子學(xué)性能提升空間的捉襟見肘，人們慢慢認(rèn)識到，硅材料的發(fā)展已經(jīng)逼近其物理極限。
有觀點(diǎn)認(rèn)為，作為信息發(fā)展中的黃金規(guī)則的摩爾定律，正逐漸失去其指導(dǎo)作用。在這樣的背景下，半導(dǎo)體石墨烯的誕生無疑為整個半導(dǎo)體行業(yè)帶來了新的曙光。
目前，天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)正致力于實(shí)現(xiàn)一個更大的目標(biāo)——迅速實(shí)現(xiàn)從毫米級單晶到英寸級單晶半導(dǎo)體外延石墨烯晶圓的技術(shù)跨越。
“如果我們能夠生產(chǎn)出一英寸大小的單晶半導(dǎo)體石墨烯晶圓，這些材料就可以直接用于實(shí)現(xiàn)碳基集成電路的制造。”馬雷說，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)并非易事，就好比將一艘小小的帆船進(jìn)化成為一艘龐大的航空母艦。而該目標(biāo)一旦實(shí)現(xiàn)，人類將有望從此邁入碳基電子學(xué)時代。
“最初的一臺計(jì)算機(jī)，其體積龐大，可以占滿整個房間，但是其所具備的功能甚至不能與現(xiàn)在一個簡單計(jì)算器相媲美；上世紀(jì)90年代的‘386’和‘486’臺式計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度甚至遠(yuǎn)不敵目前最低端的筆記本電腦。當(dāng)前，隨著半導(dǎo)體石墨烯逐步登上下一代集成電路制造的舞臺，未來的筆記本電腦在運(yùn)算速度上有望大幅超越今天的高性能計(jì)算機(jī)。”該團(tuán)隊(duì)表示，他們正在全力以赴，以期加快這一進(jìn)程的到來。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0
本文鏈接：自帶“開關(guān)”的半導(dǎo)體石墨烯，找到了http://www.lensthegame.com/show-11-2270-0.html
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