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近日,天津大学国际纳米研究中心研究团队与美国佐治亚理工学院合作,在《自然》杂志上发表论文《碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯》,首次在世界上实现了在单晶碳化硅基底上生长出具有0.6电子伏特带隙和室温迁移率高达5,500cm2V−1s−1的半导体外延石墨烯(semiconducting epitaxial graphene,简称SEG)。这一成果成功地攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，打开了石墨烯带隙，实现了从“0”到“1”的突破，这一突破被认为是开启石墨烯芯片制造领域大门的重要里程碑
研究方法与创新点
由于原始石墨烯本身没有带隙,无法用于数字电子学,因此学术界一直在寻找方法打开石墨烯的带隙。之前修改石墨烯的电子结构的尝试,包括量子限域或化学修饰,都没有得到实用的半导体石墨烯。本研究发现,在特定的碳化硅晶体表面经过准平衡退火后生成的缓冲层石墨烯(SEG),不仅带隙宽达0.6电子伏特,而且其室温迁移率高达5,500cm2V−1s−1,是硅的10倍,也是迄今报道的其他任何二维半导体的理论值的20倍。此外,SEG的晶格与碳化硅基底对齐,可以使用常规半导体加工技术制成图案,边缘具有良好的一维导电性,这为二维纳电子学提供了理想的平台。
研究团队利用一种准平衡退火方法,在宏观范围的原子级平坦台阶上生长出高质量的SEG。该方法将两片碳化硅晶片堆叠放置,一片的硅面朝向另一片的碳面,然后在特定温度和保护气下退火。退火过程中,晶片之间会发生轻微的质量运移和再结晶,最终在顶部晶片的硅面上生长出SEG覆盖的大面(0001)晶面。考虑到质量转移方向的可逆性,科研人员推断(0001)晶面比裸露的硅面或其他晶面更加稳定,这有利于形成SEG。
实验结果与表征
利用扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜、低能电子衍射等技术全方位表征了SEG的结构和电子性质。结果显示,样品表面80%以上被高质量的SEG所覆盖,最大的无台阶区域可达0.5毫米×0.3毫米。低温隧道谱测量发现SEG带隙为0.6电子伏特,带隙中没有可测量的杂质态密度。
为了测试SEG的本征输运性质,团队利用光刻方法在SEG样品上制作霍尔条形结构,并利用环境中的氧分子进行掺杂。测量发现,室温条件下,SEG的导电率在0.001-0.008西门子,对应电阻在125-330欧姆;迁移率从100K的2cm2V−1s−1急剧上升至室温的5,500cm2V−1s−1,后者是迄今获得的SEG和其他二维材料中最高的值。科研人员分析发现,这是由于温度升高导致吸附的氧分子层进一步游离,激活更多载流子进行带导输运。
结语
论文预测了在SEG场效应管中,较理想的介质条件下,可实现10^6的开关比,达到数字电子学的要求。当前己制备的顶闸SEG场效应管虽然仅有10^4的开关比,但开启了实用化的道路，基本满足了现在的工业化应用需求。未来,进一步优化介质材料,改善SEG与金属的肖特基势垒,或许可以实现在SEG基础上制作大规模集成电路。
未来三十年人工智能将以前所未有的速度发展，基础就是芯片，而现在硅基芯片已经越来越接近物理极限，半导体石墨烯的出现恰逢其时，预示着电子学领域即将迎来一场根本性的变革，其突破性的属性满足了对更高计算速度和微型化集成电子器件不断增长的需求
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