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自帶“開(kāi)關(guān)”的半導(dǎo)體石墨烯問(wèn)世
文章來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 更新時(shí)間：2024-01-18 16:32:59
功能性半導(dǎo)體石墨烯器件。 受訪者供圖 ■本報(bào)記者 陳彬 自2004年英國(guó)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以來(lái)，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，在諸多領(lǐng)域成為具有革命性的材料。特別是在微電子學(xué)領(lǐng)域，石墨烯被認(rèn)為是人類從“硅時(shí)代”邁入“碳時(shí)代”的關(guān)鍵。 然而，要實(shí)現(xiàn)這一跨越卻并不容易，其間有諸多必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，石墨烯的“零帶隙”特點(diǎn)便是其一。 日前，天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國(guó)際研究中心教授馬雷團(tuán)隊(duì)發(fā)布在《自然》上的一篇論文宣告了該難題的最終解決。該成果被認(rèn)為是開(kāi)啟石墨烯芯片制造領(lǐng)域大門的“鑰匙”。 “零帶隙”阻礙人類進(jìn)入“碳時(shí)代” 作為首個(gè)被發(fā)現(xiàn)可在室溫下穩(wěn)定存在的二維材料，石墨烯有獨(dú)特的碳原子排布，并形成了特有的電子學(xué)特性。 接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，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(dòng)。例如，典型的懸浮石墨烯具有高達(dá)200000cm2V-1s-1的遷移率，而單晶硅的遷移率只有1000cm2V-1s-1。這種高電子遷移率意味著更高的運(yùn)行效率和運(yùn)行速度。 除了高遷移率外，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)使石墨烯材料有望成為人類從“硅時(shí)代”邁入“碳時(shí)代”的核心材料。 然而，正是由于“零帶隙”的特性，石墨烯目前仍然無(wú)法應(yīng)用于大規(guī)模數(shù)字電路器件制造。 所謂帶隙，就是存在于兩個(gè)能帶之間的間隙。帶隙的存在是實(shí)現(xiàn)良好開(kāi)關(guān)比的關(guān)鍵，這樣才能有效控制電流的開(kāi)啟或關(guān)閉。 從這個(gè)角度來(lái)看，可以將“帶隙”比喻成安裝在石墨烯上的一種“開(kāi)關(guān)”。當(dāng)有這個(gè)“開(kāi)關(guān)”時(shí)，石墨烯展現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，因此能有效完成數(shù)字電路功能。當(dāng)沒(méi)有這個(gè)“開(kāi)關(guān)”時(shí)，石墨烯一直處于“打開(kāi)”的狀態(tài)，表現(xiàn)出金屬性質(zhì)，無(wú)法用于數(shù)字電路器件制造。 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(méi)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(kāi)關(guān)”功能的高遷移率石墨烯，成為解決石墨烯在微電子領(lǐng)域應(yīng)用問(wèn)題的關(guān)鍵。 被找到的“針” 馬雷團(tuán)隊(duì)解決這個(gè)難題的做法，聽(tīng)起來(lái)并不復(fù)雜。 “簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們選擇不同的碳化硅晶面作為襯底，供石墨烯在其上‘生長(zhǎng)’，在此過(guò)程中對(duì)石墨烯生長(zhǎng)的溫度、時(shí)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形成高度有序的結(jié)構(gòu)。”馬雷說(shuō)。 他表示，石墨烯對(duì)外界的變化非常敏感。生長(zhǎng)的“襯底”不同，產(chǎn)生的石墨烯的性質(zhì)也不同。也正因如此，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(wú)異于大海撈針。 好在，這根“針”最終被馬雷團(tuán)隊(duì)“撈”到了。 該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的半導(dǎo)體石墨烯擁有約0.6電子伏的帶隙以及高達(dá)5500cm2V-1s-1的室溫遷移率，優(yōu)于目前所有已知的二維半導(dǎo)體至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，以該材料制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，擁有高達(dá)104的開(kāi)關(guān)比。 據(jù)介紹，一個(gè)用來(lái)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)家引用“開(kāi)關(guān)比”來(lái)度量“零”和“一”，開(kāi)關(guān)比的數(shù)值越大，表示兩者之間的區(qū)分度越高，混淆的可能性越小。 該團(tuán)隊(duì)成員表示，此前曾有人通過(guò)化學(xué)合成方式，得到過(guò)具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(shuō)。 此外，在制備該半導(dǎo)體石墨烯時(shí)，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)體外延石墨烯具有生長(zhǎng)面積大、均勻性高、工藝流程簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)。 讓“小帆船”長(zhǎng)成“大航母” 長(zhǎng)期以來(lái)，硅一直是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心材料。然而，隨著人們對(duì)算力需求的飛速增長(zhǎng)，加之硅電子學(xué)性能提升空間有限，人們慢慢認(rèn)識(shí)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(wú)疑為整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)了新曙光。 目前，天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)正致力于實(shí)現(xiàn)一個(gè)更大的目標(biāo)——迅速實(shí)現(xiàn)從毫米級(jí)單晶到英寸級(jí)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1英寸大小的單晶半導(dǎo)體石墨烯晶圓，就可以將其直接用于碳基集成電路的制造。”馬雷說(shuō)，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)并非易事，就好比使一艘小帆船進(jìn)化成一艘龐大的航空母艦。而該目標(biāo)一旦實(shí)現(xiàn)，人類有望從此邁入碳基電子學(xué)時(shí)代。 “最初的計(jì)算機(jī)體積龐大，占滿整個(gè)房間，但是其所具備的功能甚至不能與現(xiàn)在一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算器相媲美；上世紀(jì)90年代的‘386’和‘486’臺(tái)式計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度甚至遠(yuǎn)不及目前最低端的筆記本電腦。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(tái)，未來(lái)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，以期加快這一天的到來(lái)。 相關(guān)論文信息： https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2024-01-16 第1版 要聞)
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