被“玩坏”的石墨烯，这回真能造芯片了？

“后摩尔时代，放过石墨烯 （Graphene）吧。”这是两年前中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范说过的话。石墨烯，一个“新材料之王”，一个曾经在2021年“全球IEEE（电气和电子工程师协会）国际芯片导线技术会议”上被定位为下一代新型半导体的材料，曾经掀起过不小风潮。

但彼时，各种概念肆虐，石墨烯电暖气、石墨烯化妆品，甚至是石墨烯内衣，就像曾经的纳米水、光催化和负氧离子空气净化器一样，一度让人们认为石墨烯的产品都是“骗人的”。可以说，石墨烯早就被营销“玩烂了”。

而且，更为重要的是，直到去年为止，石墨烯都没有“带隙”，带隙是0意味着石墨烯就是导体。也就是说，石墨烯之前连允许半导体打开和关闭的功能都不存在，更别说引发半导体和电子学革命了，而且这种难题一卡就是几十年。

那么，之前学界各种“鼓吹”石墨烯晶圆又是何物？在当时，大多数所谓“石墨烯材料”的碳含量不超过60%，意思就是，有超过40%的石墨烯材料成分连碳都不是。

但在最近，这种问题终于有希望得以解决，一个由石墨烯制成的功能半导体，终于来了。

电子产品打开新的大门

日前，佐治亚理工学院的物理学教授沃尔特·德·希尔（Walter de Heer）及天津大学马雷教授团队，创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体（Functional Graphene Semiconductor）。

研究团队使用特殊熔炉在碳化硅（SiC）晶圆上生长石墨烯时取得突破。他们生产了外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层。研究发现，当制造得当时，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并开始表现出半导体特性。该项突破为开发全新电子产品打开了大门。研究发表在《自然》杂志上。

根据研究人员的说法，他们想把石墨烯的三个特殊特性引入电子产品内，这样就可以处理非常大的电流，获取更高效率，与此同时温度不会升高到很离谱的程度。

石墨烯即单层石墨， 碳原子以sp2杂化轨道组成六角形，呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列的单层二维晶体。它具有超薄（1毫米厚的鳞片石墨=300万片石墨烯）、超轻（动物毛发可以支撑起红枣大小的石墨烯气凝胶）、超强（完美石墨烯膜制作成保鲜膜盖在杯子上坐一头大象才能让其破裂）的特性。

石墨烯是二维材料的“天才”，电性能远超目前正在开发的任何其他二维半导体。它拥有电荷载流子高迁移率（15000 cm²/V·S）、双极场效应、高导热性能（3000 W/m·k）等特点，同时具有优异的电学性能以及机械性能。优异性质使得石墨烯在纳米带晶体管、气体传感器、超级电容器及透明导电电极等许多领域都有很强的适用空间。

解决石墨烯半导体关键问题

石墨烯电子学中一个长期存在的问题，就是石墨烯没有正确的带隙，结构完整的本征石墨烯的带隙为零，呈现金属性。它特殊的波纹状价带和导带实际上是连在一起的，不能以正确的比例开关。所有晶体管和硅电子器件的工作都需要带隙，多年来，许多人试图用各种方法来解决这个问题。

科学家曾经通过把石墨烯制造成奇特的形状，如带状来获取带隙，也曾经通过量子约束或化学功能化来改变带隙。但在这项成果发布前，都未能成功制造出可行的半导体石墨烯，要么操作难度太大， 要么太小了（比如，100meV左右），这对电子工程应用来说还是太小了。

关于石墨烯半导体带隙问题的研究，制表｜电子工程世界

而这一成果就是解决了带隙问题，通过在特定碳化硅晶面上退火石墨烯，让石墨烯能够像硅一样工作，是实现石墨烯基电子产品的关键一步，为利用石墨烯非凡能力的技术新时代铺平了道路。与此同时，他们的研究能够进一步实现量子计算。

该团队表示，他们证明了单晶碳化硅衬底上的半导体外延石墨烯（Semiconducting Epigraphene，SEG）具有0.6 eV的带隙和5500 cm²/V·S的室温电子迁移率（摘要中标注的是超过5000 cm²/V·S，2023年2月第一版论文则是4000 cm²/V·S），比硅高出3倍，比其它二维半导体高20倍。

注释：外延石墨烯（Epigraphene）指的是在碳化硅晶体上自发形成的石墨烯，当硅在高温下从表面升华时导致富碳表面重结晶成石墨烯。

与此同时，以SEG-on-SiC制造的原型FET导通-关断比可达10⁴，优化后器件的导通-关断比为10⁶（对比来看，目前高性能GaN HEMT器件导通-关断比可达2 x 10⁹～1 x 10¹⁰）。

图源｜Nature

“对我们来说，我们现在就像过去的莱特兄弟一样，他们建造了一架可以在空中飞行300英尺的飞机。但怀疑者反问：‘火车和轮船已经很快了，为什么我们还要翱翔天际？’虽然如此，莱特兄弟还是坚持下来了，而我们所研究的石墨烯半导体，正是如此，这是一个可以带人们翻越大洋的技术。”Walter de Heer如是说。

制备这个难题能被解决吗？

虽然石墨烯带隙这个问题有了解决方法，但要让石墨烯半导体真正应用到产业，还存在着第二个问题——如何大规模生产。

研究中，比较关键的点在于SEG晶格与SiC衬底对齐，在化学、机械和热学方面都具有坚固性，可以使用传统的半导体制造技术进行图案化，并无缝连接到半金属外延石墨烯上。

用人话解释就是，石墨烯在碳化硅衬底上直接生长的优势在于：

• 省却石墨烯转移步骤，避免了转移过程对石墨烯薄膜造成的污染及损伤；

• 可与现在的硅工艺兼容，便于实现大规模量产；

• 生长温度和石墨烯形成率都是可控的。

总的来说，研究中，石墨烯大规模应用更方便了，但在现阶段，实现大规模应用还有很大差距，远不及硅，主要有三个问题表现：

• 半导体领域中石墨烯只能用CVD法制备，价格昂贵，成品率低，如何实现石墨烯规模化生产是个亟待解决的问题；

• 石墨烯作为一种2D平面材料，有较严重量子效应，边缘态和晶态均很大程度影响电子结构和电性质；

• 需要深入研究石墨烯的导电性，使石墨烯集成电路有更优异的性能。

以上问题体现在产业中，就是制备起来贵：利用化学沉积法制备石墨烯的工艺价格昂贵，无法规模化生产；外延生长法制备的石墨烯层数无法准确控制；机械剥离法效率低价格高；Hummer法制备石墨烯结构受到破坏。难点在于石墨烯的剥离、生长以及规模化制备的不一致性、不稳定性和低质量。

也就是说，迄今我们还没有规模化制备石墨烯产品的能力，产品要走出实验室、规模化发展，需要具有很高的质量和极强的一致性、稳定性。只有找到一种价格低廉的方式，同时在技术成熟度、获取方便度方面都有所突破，石墨烯才能真正进入产业。

重新审视过度炒作的受害者

被誉为“石墨烯之父”的诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆（Andre Geim）前一阵曾经说过，“石墨烯是过度炒作的受害者”。

实际上，我们探索石墨烯的路，已经走了很远很深了，理论上，石墨烯的研究已经有60多年的历史，这一路上，我们克服了重重困难：

起初，研究者指出二维晶体是热力学不稳定，不能单独存在，石墨烯一直被视为一种理论上的材料。直到2004年， 英国物理学家安德烈·盖姆和俄罗斯物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验室研究石墨烯的过程中，用透明胶带反复剥离石墨，直至石墨只剩下单层薄片，这就是石墨烯。为此，两人共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

虽然石墨烯已经被夸大宣传而变得“妖魔化”，但事实上，石墨烯的未来应用依然广阔。包括集成电路、场效应晶体管、大功率LED散热、可穿戴电子器件、石墨烯化学传感器等各种应用。

这一次，石墨烯的一大关键问题被解决，也就是说，石墨烯半导体真正有希望了。此时，我们要重新审视石墨烯这一材料了。

当然，也并不是说就要大炒特炒，再次上演一次“石墨烯营销热”，石墨烯材料还是应该找到自己真正的应用突破口，最终目标并不是完全替代硅，而是创造出自己的一条路。就像碳化硅和氮化镓一样，为半导体制造和下游产品提供更多选择。

参考文献

[1] 中国电子报：刘忠范院士：后摩尔时代，请“放过”石墨烯.2023.8.16.https://mp.weixin.qq.com/s/8DKPGSptI0TaLpV0PIv_Sg

[2] 善思科学 ：石墨烯，又一个被玩坏的概念？.2018.4.26.https://mp.weixin.qq.com/s/HVmPtomFwIgMQlt5nUFYeQ

[3] 中国复合材料学会：【科普知识】三个问题带你认识“新材料之王”——石墨烯！.2023.10.10.https://mp.weixin.qq.com/s/YrIxiRfgwO5xSmj_1bcgHQ

[4] Georgia Tech：Researchers Create First Functional Semiconductor Made From Graphene.2024.1.3.https://research.gatech.edu/feature/researchers-create-first-functional-semiconductor-made-graphene

[5] 财联社：首个石墨烯制成的功能半导体问世.2024.1.4.https://www.cls.cn/detail/1561508

[6] 硅基LIFE：研究人员创造了第一个由石墨烯制成的功能半导体(tech).2024.1.4.https://mp.weixin.qq.com/s/-nVpOBSfB2RPw1PbERwytw

[7] 黄绍书. 石墨烯及其化学掺杂综述[J]. 现代物理， 2023， 13(1): 8-16. https://doi.org/10.12677/MP.2023.131002

[8] 尹伟红， 韩勤， 杨晓红. 基于石墨烯的半导体光电器件研究进展[J]. 物理学报， 2012， 61(24): 593-604.

[9] Zhao， J.， Ji， P.， Li， Y. et al. Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide. Nature 625， 60–65 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0

[10] Carbontech：石墨烯在半导体领域中的应用形式.2019.10.8.https://mp.weixin.qq.com/s/BLWuUuqI8JHmadJZYm4VGw

本文来自微信公众号：电子工程世界（ID：EEworldbbs），作者：付斌