世界首個功能性石墨烯半導體是如何研制的？

【環球時報報道 記者 冷舒眉】隨著硅材料芯片逐漸接近2nm的物理極限，全球對基于高質量半導體材料芯片的需求劇增。二維材料由于具備出色的電子傳輸特性和潛在的高集成度，成為各國科學家以及半導體企業爭相投資的一條新賽道。石墨烯作為首個被發現可以在室溫下穩定存在的二維材料，從2004年被發現以來，科學家們一直試圖將它與其他材料結合起來，設計出一種與現有半導體相比能耗更低、工作速度更快的新型芯片。但石墨烯獨特的結構，導致“零帶隙”特性，成為石墨烯在半導體領域應用中最大阻礙。近日，中國天津大學和美國佐治亞理工學院的納米科學家研制出世界上第一個功能性石墨烯半導體，使得突破這一難題成為可能。“從某種意義上講，這是人們從硅芯片到碳芯片的一次跨越，”領導這項研究的天津大學馬雷教授對《環球時報》記者說。

根據天津大學網站的介紹，馬雷研究團隊通過對外延石墨烯生長過程的精確調控，成功地在石墨烯中引入了帶隙，創造了一種新型穩定的半導體石墨烯單晶。這項前沿科技通過對生長環境的溫度、時間及氣體流量進行嚴格控制，確保了碳原子在碳化硅襯底上能形成特定的高度有序結構。這種半導體石墨烯的電子遷移率遠超硅材料，表現出了十倍于硅的性能，并且擁有硅材料所不具備的獨特性質。相關研究成果《碳化硅上生長的超高遷移率半導體外延石墨烯》已于2024年1月3日在《自然》雜志網站上在線發表。

馬雷表示，這次研究中，團隊主要應用了特殊的生長環境和生長條件，利用SiC晶體對石墨烯本身進行調制，實現了石墨烯的帶隙打開。使原來的無帶隙變成有帶隙。“半導體石墨烯在常溫下具有超過硅材料十倍的遷移率的同時，擁有0.6 eV的帶隙。它是一個真正意義上的單晶石墨烯半導體。”

馬雷強調“單晶的半導體石墨烯如果能夠實現大規模生產，在很大意義上，將為人們從硅時代進入碳時代奠定重要的基礎。”在被問到石墨烯半導體距工業化落地還有多遠時，馬雷表示，目前還“無法預言”，“什么時候才能投入大規模工業應用，這取決于從毫米級單晶長到英寸級單晶的進程”。

來源： 環球時報