世界首个功能性石墨烯半导体是如何研制的？
【环球时报报道 记者 冷舒眉】随着硅材料芯片逐渐接近2nm的物理极限，全球对基于高质量半导体材料芯片的需求剧增。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。石墨烯作为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。但石墨烯独特的结构，导致“零带隙”特性，成为石墨烯在半导体领域应用中最大阻碍。近日，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，使得突破这一难题成为可能。“从某种意义上讲，这是人们从硅芯片到碳芯片的一次跨越，”领导这项研究的天津大学马雷教授对《环球时报》记者说。
根据天津大学网站的介绍，马雷研究团队通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功地在石墨烯中引入了带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯单晶。这项前沿科技通过对生长环境的温度、时间及气体流量进行严格控制，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。这种半导体石墨烯的电子迁移率远超硅材料，表现出了十倍于硅的性能，并且拥有硅材料所不具备的独特性质。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。
马雷表示，这次研究中，团队主要应用了特殊的生长环境和生长条件，利用SiC晶体对石墨烯本身进行调制，实现了石墨烯的带隙打开。使原来的无带隙变成有带隙。“半导体石墨烯在常温下具有超过硅材料十倍的迁移率的同时，拥有0.6 eV的带隙。它是一个真正意义上的单晶石墨烯半导体。”
马雷强调“单晶的半导体石墨烯如果能够实现大规模生产，在很大意义上，将为人们从硅时代进入碳时代奠定重要的基础。”在被问到石墨烯半导体距工业化落地还有多远时，马雷表示，目前还“无法预言”，“什么时候才能投入大规模工业应用，这取决于从毫米级单晶长到英寸级单晶的进程”。