世界首个功能性石墨烯半导体成功研制！半导体材料或迎来黄金十年！

当前，全球对基于高质量半导体材料芯片的需求与日俱增。随着硅材料芯片逐渐接近2nm的物理极限，在摩尔定律逼近极限之际，通过半导体材料创新提升集成电路性能成为行业关注的焦点。

全球第一个功能性石墨烯半导体

中国天津大学和美国佐治亚理工学院的纳米科学家研制出世界上第一个功能性石墨烯半导体，表现出了10倍于硅的性能，再次引发行业对石墨烯的关注。相关研究成果《碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯》已于2024年1月3日在《自然》杂志网站上在线发表。

根据天津大学网站的介绍，这项前沿科技通过对外延石墨烯生长过程中生长环境的温度、时间及气体流量的精确调控，确保了碳原子在碳化硅衬底上能形成特定的高度有序结构，成功地在石墨烯中引入了带隙，使原来的无带隙变成有带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯单晶。

据了解，这项前沿科技采用的准平衡退火方法，其制备的超大单层单晶柱半导体外延石墨烯，具有生长面积大、均匀性高、工艺流程简单、成本低廉等优势。此外，该方法制备的半导体石墨烯拥有大约600兆电子伏特带隙，以及高达5500平方厘米每伏秒的室温霍尔迁移率，要优于目前所有的二维晶体至少一个数量级。其场效应晶体管开关比高达104，基本满足了现在工业化应用需求，是真正意义上的单晶石墨烯半导体。

石墨烯或带来的“黄金时代”

半导体石墨烯的出现，预示着电子学领域将迎来一场根本性的变革。事实上，石墨烯是首个被发现可以在室温下稳定存在的二维材料。从2004年被发现以来，科学家们一直试图将它与其他材料结合起来，设计出一种与现有半导体相比能耗更低、工作速度更快的新型芯片。

随着2023年，全球多家企业相继官宣2nm制造设备最新进展后，业内人士便纷纷看好，半导体制造材料未来十年或将迎来“黄金时代”。

石墨烯是由碳原子组成的二维结构，由于在电学/热学/光学等方面的优良特性，被广泛研究并使用在半导体领域。在半导体特性上，石墨烯具有优良的导电特性及易掺杂改性的特性，因此被用来制作为各种半导体器件，如零带隙、顶栅石墨烯场效应管，双层石墨烯晶体管，双极超导石墨烯晶体管，石墨烯纳米带场效应管等。在应用上可作为穿戴设备，传感器，充电设备等。

石墨烯是二维材料最为典型的代表。二维材料由于具备出色的电子传输特性和潜在的高集成度，成为各国科学家以及半导体企业争相投资的一条新赛道。

所谓二维材料（Two dimensional material），指的是电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，属于纳米材料的范畴，包含具有超导、金属性、半金属、拓扑绝缘体、半导体、绝缘体的材料。

二维材料表现出不同于普通材料的奇异性质，这源于其超薄的厚度引起的量子限域效应。这些奇异的性质使得二维材料成为物理学、化学和材料科学研究的热点。二维材料在透明导电电极、光电探测器、气敏探测器、二极管、晶体管、忆阻器、 太阳能电池、LED、电催化剂、光催化剂等领域得到广泛应用。

此外，二维材料其超薄的特性有望解决常规半导体面临的短沟道效应，使得晶体管尺寸进一步缩小，在大规模集成电路领域有潜在的应用前景。

石墨烯的电学特性研究

芯片是处于科技产业链的最顶端。在整个芯片的制造流程中，包含了晶圆加工、硅片的氧化、光刻蚀、薄膜沉积、测试和封装等步骤。整个过程涉及到非常多的半导体设备和材料。新的芯片架构以及制程正在催生新的材料需求，尤其是先进封装形式包括Chiplet等的发展需要材料的持续开发和创新。因为只有材料创新，才能够满足产品性能需求的持续上升。

当代材料科学研究中，新型功能性材料的输运性质及电学性质是表征材料属性的重要参量。其中，电输运性质是物质（或材料）的最基本和最重要的物理属性之一，反映了与电荷相关的基本物理行为，如电阻、Hall 电阻随温度、磁场、压力变化的规律，以及相关的物理效应，如Shubnikov-de Haas 量子振荡、量子霍尔效应等，是综合物性中最重要的性质之一。

不过，半导体材料的电输运测试并非易事。它面临着诸多挑战：

• 特殊的测试条件。一般条件下，被测样品被放置在低温 ( 通常是超导 ) 及磁场环境中，其低温最低可达 0.1mK，磁场可高达16T。在极端条件下， 磁场可达100T脉冲强磁场，压力可达100GPA。PPMS可以提供一般条件下的测试环境。在此环境下，测试电缆连线需考虑热效应及对测试结果的误差因素。

• 需要极小或极大电阻的测试。在超导条件下，被测样品电阻可能低至 nΩ 级。而极端情况下，被测样品电阻可能高达 GΩ 级，PPMS内置输运测试选件达不到要求。

• 需要测试极小电压、电流及微分电导，此时信号往往淹没在噪声中，PPMS 内置测试选件往往不能满足要求。

为应对电输运测试面临的挑战，在 PPMS 的基础上，必须添加高精度适合极低电平测试的仪器作为必要的补充，该仪器必须具备去除噪声的能力。

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