2024年1月4日，據天津大學介紹，該校納米顆粒與納米系統國際研究中心的馬雷教授團隊攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題，在保證石墨烯優良特性的前提下，打開了石墨烯帶隙，成為開啟石墨烯晶片製造領域大門的重要里程碑。該研究成果論文《碳化矽上生長的超高遷移率半導體外延石墨烯》1月3日在線發表于國際期刊《自然》。
研究成果圖例 供圖 天津大學
據介紹，石墨烯作為首個被發現可在室溫下穩定存在的二維材料，未來在微電子學領域有極大的應用前景。但其獨特的狄拉克錐能帶結構，導致了“零帶隙”的特性，成為石墨烯在半導體領域應用的阻礙，這也是困擾石墨烯研究者數十年的難題。
馬雷團隊通過對外延石墨烯生長過程的精確調控，成功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。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，並且擁有硅材料所不具備的獨特性質。
“團隊通過嚴格控制生長環境的溫度、時間及氣體流量，確保了碳原子在碳化矽襯底上能形成高度有序的結構。”馬雷介紹。
據了解，該項研究實現了三方面技術革新。首先，採用創新的準平衡退火方法，製備出超大單層單晶疇半導體外延石墨烯（SEG），其具有生長面積大、均勻性高，工藝流程簡單、成本低廉等優勢，彌補了傳統生産工藝的不足；第二，該方法製備的半導體石墨烯，擁有約600毫電子伏帶隙以及高達5500釐米平方每伏特秒的室溫霍爾遷移率，優於目前所有二維晶體至少一個數量級。高遷移率意味著，單位時間內承載的信息量越高，計算機運算速率越快，處理信息的速度更快；最後，以該半導體外延石墨烯製備的場效應電晶體開關比高達10000，基本滿足了工業化應用需求。
隨著摩爾定律所預測的極限日益臨近，半導體石墨烯的出現為高性能電子器件帶來了全新的材料選擇，其突破性的屬性滿足了對更高計算速度和微型化集成電子器件不斷增長的需求，也為整個半導體行業注入了新動力。（記者 陳曦 通訊員 劉延俊）
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