雖然石墨烯有望提高電子產(chǎn)品的效率和性能，但材料仿制品阻止了任何人將其潛力轉(zhuǎn)化為功能性半導(dǎo)體——直到現(xiàn)在。在佐治亞理工學(xué)院的突破性研究中，科學(xué)家們創(chuàng)造了世界上第一個(gè)成功的石墨烯半導(dǎo)體。

　　石墨烯：一種半金屬

　　石墨烯長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是一種具有卓越電性能的材料，包括高電子遷移率、優(yōu)異的導(dǎo)熱性和卓越的機(jī)械強(qiáng)度。其碳原子排列成二維蜂窩晶格的單層結(jié)構(gòu)使電子能夠以最小的阻力穿過(guò)它，使其成為已知最具導(dǎo)電性的材料之一。

　　然而，盡管其潛力巨大，但其他物理限制阻礙了其在傳統(tǒng)半導(dǎo)體應(yīng)用中的使用。

　　在其固有狀態(tài)下，石墨烯被歸類為半金屬，這意味著它自然不會(huì)表現(xiàn)得像半導(dǎo)體或金屬。為了使材料在晶體管等電子設(shè)備中有效發(fā)揮作用，它需要一個(gè)帶隙，以便材料可以通過(guò)電場(chǎng)“打開(kāi)”和“關(guān)閉”。這一原理支撐著硅基電子器件的功能。因此，利用石墨烯進(jìn)行電子應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是在不損害其固有特性的情況下誘導(dǎo)這種類似于硅的可切換特性。

　　佐治亞理工學(xué)院的石墨烯研究

　　最近，佐治亞理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)聲稱創(chuàng)造出了世界上第一個(gè)基于石墨烯的半導(dǎo)體器件。

　　研究人員成功證明，特定碳化硅晶面上退火良好的表觀石墨烯可以作為高遷移率的二維半導(dǎo)體。具體來(lái)說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)在單晶碳化硅襯底上開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體表觀石墨烯 (SEG)，其帶隙為 0.6 eV，室溫遷移率超過(guò) 5000 cm2/Vs，明顯高于硅和其他二維半導(dǎo)體。

　　SEG 的生產(chǎn)涉及限制控制升華 (CCS) 爐，其中半絕緣 SIC 芯片在氬氣氣氛下在石墨坩堝中退火。石墨烯形成的溫度和速率受到精確控制，其中硅從坩堝中的逃逸速率起著關(guān)鍵作用。

　　為了表征 SEG，該團(tuán)隊(duì)使用了掃描隧道顯微鏡 (STM)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、低能電子衍射 (LEED) 和拉曼光譜。這些方法允許在多個(gè)尺度上對(duì) SEG 進(jìn)行詳細(xì)檢查，將其與裸 SiC 和石墨烯區(qū)分開(kāi)來(lái)，并確認(rèn)其與 SiC 基底的原子配準(zhǔn)。

　　半導(dǎo)體表觀石墨烯的潛力

　　研究小組強(qiáng)調(diào)了SEG在納米電子學(xué)領(lǐng)域的潛力。

　　作為一種結(jié)晶良好的二維半導(dǎo)體，具有顯著的帶隙和高遷移率，SEG 代表了該行業(yè)在實(shí)現(xiàn)石墨烯等材料的電氣優(yōu)勢(shì)方面向前邁出了一大步。未來(lái)的工作將集中于可靠地生產(chǎn)具有合適電介質(zhì)的大型平臺(tái)、管理肖特基勢(shì)壘以及開(kāi)發(fā)集成電路方案。最終，研究團(tuán)隊(duì)相信 SEG 具有商業(yè)可行性的潛力，并對(duì) 2D 納米電子學(xué)產(chǎn)生切實(shí)的影響。