从半金属到半导体：石墨烯的“带隙”之旅

从半金属到半导体：石墨烯的“带隙”之旅

在电子学领域，石墨烯被誉为“神奇材料”，但其无带隙特性一直是商业化应用的难题。近期，一项突破性研究成功在碳化硅上生长出具有带隙的石墨烯，为半导体领域带来新的可能性。

自2004年被发现以来，石墨烯一直被誉为神奇的材料。这种由单层碳原子构成的二维材料具有三大优良特性：1）无比坚固，强度是钢的200倍以上；2）载流子迁移率极高；3）导热率极高，能有效散热。然而，石墨烯是一种无带隙材料，缺乏用于开关晶体管的关键特性。因此，在过去的20年里，人们一直在努力在石墨烯中“打开一个带隙”，这是石墨烯商业化应用之前首要解决的难题。

石墨烯带隙的突破

最新的研究让石墨烯成功有了带隙，为石墨烯在半导体领域的应用开启了新的可能性。通过在SiC上的生长过程中施加特定的限制，成功展示了生长在单晶硅碳化物衬底上的半导体外延石墨烯（SEG）具有0.6 eV的带隙，并且室温迁移率超过5000 cm²V⁻¹s⁻¹，是硅的10倍，是其他二维半导体的20倍。这一成就为石墨烯在半导体领域的应用开辟了新的可能性。

石墨烯带隙的打开主要有两种方式：一种是纳米带方法，通过将石墨烯切割或塑造成极其细小的纳米带来实现；另一种是基底相互作用法，利用石墨烯与其生长基底之间的相互作用来创建带隙。最新研究所采用的方法是在碳化硅（SiC）上生长石墨烯“缓冲层”。

SEG的生产过程

通过加热半导体材料碳化硅（SiC），待表面的硅原子从SiC晶体表面升华后，会留下一个富含碳的层，丰富的碳表明可以重新结晶生成具有石墨烯结构的多层，也就是说这是在SiC晶体上自发形成的石墨烯。部分石墨烯与SiC表面共价键合，这个缓冲层的光谱测量表现出半导体特征。

问题来了，这个自发形成的石墨烯外延层与SiC基底的键合是无序的，导致了其迁移率极低，仅为1 cm²V⁻¹s⁻¹，与其他具有室温迁移率高达300 cm²V⁻¹s⁻¹的二维半导体相比较差得太远。

利用一种准平衡退火方法可以解决这一问题。如下图b所示，通过将两个SiC芯片夹在一起，使得上层芯片的硅面与下层芯片的碳面相对，创造了一个受控环境，这样可以抑制石墨烯的生长。在1 bar的超纯氩气中，温度约1600°C，可以生长出均匀覆盖有缓冲层的大型原子级平坦台地。结果是SEG晶格不仅能与SiC基底对齐，而且它在化学、机械和热方面都非常稳定，可通过传统半导体制造技术进行图案化，并与半金属外延石墨烯无缝连接。这些基本属性使得SEG适用于纳米电子学。

外延石墨烯（SEG）的生产过程的三个阶段

SEG的生长又分为三个阶段。在第一阶段，芯片在真空中加热至900°C大约25分钟，这个过程的目的是清洁芯片表面，去除可能影响后续生长过程的杂质或残留物；第二阶段，样品的温度被提高到1300°C，同样持续大约25分钟，但这次是在1 bar的氩气环境中，这个温度和环境的组合促使形成规则排列的双层硅碳化物（SiC）阶梯和大约0.2微米宽的台地，这些台地是后续SEG生长的基础；第三阶段，生长环境的温度进一步提升至1600°C，同样在1 bar的氩气中，这个高温阶段导致所谓的“阶梯聚集”和“阶梯流”，最终形成了大型的原子级平坦台地。在这些台地上，在C面（碳面）和Si面（硅面）之间形成的准平衡条件下，SEG的缓冲层得以生长。

展望未来

通过以上方法成功在SiC上形成了一层带隙约0.6电子伏的石墨烯缓冲层，这大约是硅（1.1 eV）的一半，接近锗（0.65 eV），且比SiC（3eV）的带隙窄得多。

外延石墨烯的发现不仅对于石墨烯的应用范围是一大突破，可能会引起电子领域的范式转变。但是需要明确的是，石墨烯不是要取代硅材料，而是很大可能作为一个辅助材料。石墨烯缓冲层的这一突破为“超越硅”的技术提供了新的动力，特别是在宽带隙和超宽带隙半导体领域，如电动汽车的电力电子以及航天器电子产品，SiC基底的应用潜力被进一步扩展。同时，这也推动了对于在SiC上集成不同功能设备，如传感器和计算逻辑组件的深入研究，这对于可再生能源的发展及其不稳定输入的管理至关重要。

本文原文来自AllinABC