硅材料在电子学的发展过程中一直占据主导地位，但随着摩尔定律的不断发展，硅材料的物理极限逐渐显现出来。今天，我们站在工业变革的门槛上，各行各业都在竞相探索各种材料。像SiC和Gan这样的宽禁带半导体材料是成功的案例之一。最近流行的是石墨烯。　　石墨烯自2004年被曼彻斯特大学切尔诺戈洛夫卡微电子研究所的两位教授发现以来，一直被称为神奇材料。石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有三个优良的特点：1）非常坚固，石墨烯的强度是钢的200倍以上；2）载流子迁移率高；3）导热率高，意味着石墨烯能有效散热，防止电子设备过热。对于电子行业来说，石墨烯似乎是一种优良的材料，但石墨烯是一种无缝材料，缺乏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“打开带隙”，这是石墨烯商业化应用前首先要解决的问题。　　2004年在一块石墨上用透明胶带发现石墨烯。　　沃尔特·德·希尔，佐治亚理工学院物理教授(Walter de Heer)天津大学马雷教授团队的最新研究使石墨烯成功，为石墨烯在半导体领域的应用开辟了新的可能性。在SiC的生长过程中，他们成功地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带隙，室温迁移率超过5万 cm²V⁻¹s⁻¹，硅的10倍，其他二维半导体的20倍。这证明了石墨烯的效率更高，允许电子以更快的速度通过。更生动地说，这就像“汽车在碎石路上行驶就像在高速公路上行驶一样”。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。　　石墨烯的“带缝”之旅　　那石墨烯到底是怎么有带缝的呢？　　主要有两种方法可以打开石墨烯带隙：一种是将石墨烯切割或塑造成极小的纳米带。石墨烯纳米带现在可以通过纳米加工技术接近原子级精度制造。在这些纳米带中，由于量子限制效应，电子限制在一个维度上移动，导致间隙打开。该方法的挑战在于制造过程的复杂性和样品之间的变异性，使大规模生产困难，特别是在满足消费电子产品需求的规模上；另一种是基础相互作用，利用石墨烯及其生长基础之间的相互作用来创造间隙。为了改变石墨烯的电子性质，这种方法通常包括选择特定的基底材料和调整生长条件。　　沃尔特·德·希尔，佐治亚理工学院物理学教授(Walter de Heer)第二种方法是天津大学马雷教授团队采用的。　　他们的工作重点是碳化硅(SiC)石墨烯“缓冲层”生长在上面。事实上，早在2008年，人们就已经知道在SiC上形成的石墨烯缓冲层可能是半导体，但获得晶圆样品一直是一个挑战。　　通过加热半导体材料碳化硅(SiC)，从SiC晶体表面升华后，表面的硅原子会留下一层富含碳的层，富含碳的层表示可以重新结晶，产生具有石墨烯结构的多层。也就是说，石墨烯是在SiC晶体上自发形成的。这种缓冲层的光谱测量显示了半导体特征，其中一部分与SiC表面共价键合。　　问题是，这种自发形成的石墨烯外延层与SiC基底的键合是无序的，导致其迁移率极低，仅为1 cm²V⁻¹s⁻¹，与其他相比，室温迁移率高达300 cm²V⁻¹s⁻¹二维半导体相比差得太远。　　因此，研究小组采用了一种准平衡退火方法：如下图B所示，上芯片的硅表面与下芯片的碳表面相对，创造了一个被称为“三明治”的控制环境，可以抑制石墨烯的生长。在1 在bar的超纯氩气中，温度约为1600°C，大型原子级平坦平台可均匀生长，覆盖缓冲层。因此，SEG晶格不仅可以与SIC基础对齐，而且在化学、机械和热方面都非常稳定，可以通过传统的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SEG适用于纳米电子学。　　外延石墨烯(SEG)生产工艺：a，一个封闭的圆柱形石墨坩埚配有两块3.5毫米×4.5毫米硅碳化物(SiC)石英管中的一个漏洞提供芯片和坩埚。由无线电频率源引起的坩埚涡流加热。b，两个芯片堆叠，底部芯片(源)碳(C)硅面向顶部芯片(种晶)(Si)面。在高温下，芯片之间的轻微温差导致从底芯片到顶芯片的净质量流动，从而通过阶梯流在种子芯片上生长大平台，并在其上生长均匀的SEG薄膜。　　SEG的生长分为三个阶段。芯片在真空中加热到900°C约25分钟，目的是清洁芯片表面，去除可能影响后续生长的杂质或残留物；第二阶段，样品温度上升到1300°C，也持续了25分钟左右，但这次是1 氩气环境中的bar。这种温度和环境的结合促进了双层硅碳化物的规则排列(SiC)台阶和宽约0.2微米的台地。这些平台是SEG后续生长的基础；第三阶段，生长环境的温度进一步升高到1600°C，同样在1 在bar的氩气中。这一高温阶段导致了所谓的“阶梯聚集”和“阶梯流”，最终形成了大型原子平台。SEG缓冲层可以在C面(碳面)和Si面(硅面)之间形成的准平衡条件下生长。　　最后，他们的研究取得了显著进展，成功地在SiC上形成了一层约0.6电子伏的石墨烯缓冲层，约为硅(1.1 eV)一半接近锗(0.65 eV)，而且比SiC(3ev)的带隙窄很多。据佐治亚理工学院博客报道，他们花了十年时间来改进这种材料。　　延伸石墨烯的发现不仅是石墨烯应用范围的重大突破，也可能导致电子领域范式的转变。但需要明确的是，石墨烯不需要取代硅材料，而是很有可能作为辅助材料。石墨烯缓冲层的突破为“超硅”技术提供了新的动力，特别是在电动汽车电力电子和航天器电子产品等宽带间隙和超宽带间隙半导体领域，SIC基础的应用潜力进一步扩大。同时，这也促进了对传感器和计算逻辑组件等不同功能设备集成的深入研究，对可再生能源的发展及其不稳定输入管理至关重要。　　石墨烯的未来:有花有荆棘　　事实上，石墨烯的卓越特性早已引起了许多大公司的关注，并投入资源探索石墨烯领域。特别是在石墨烯电池的研究中，它被认为是理想的“超级电容器”材料。这种超级电容器可以像传统电池一样存储电流，但充放电速度惊人。石墨烯电池技术已经布局了三星、华为、LG电子等公司。最近，韩国媒体报道称，三星电子和LG电子正在加快基于石墨烯的组件开发，以提高半导体和家用电器的耐久性和能源效率。　　三星高级技术学院(SAIT)早在2017年，就宣布推出名为“石墨烯球”的创新电池材料，显示出与标准锂离子电池相比，存储容量增加了45%，充电能力增加了5倍。然而，从那以后，关于这项技术进展的报道很少。据IDTechex主管Khasha Ghaffarzadeh指出，尽管三星取得了一些显著的成就，但实现商业化还有很长的路要走。　　相信这次石墨烯延伸半导体(SEG)预计将吸引更多半导体领域的公司加入这一行列。石墨烯展示了重塑未来技术和产业的潜力，从增强复合材料到革命性的能源储存解决方案。但需要注意的是，石墨烯从实验室到商业生产的过渡仍面临着许多关键挑战：　　高初始资本需求：石墨烯的生产通常需要昂贵的设备和技术，这对大多数初创企业来说是一个重大负担。这些企业可能很难获得足够的资金来支持这种规模的生产。　　技术和市场不确定性：尽管石墨烯的潜力巨大，但其商业应用仍处于起步阶段。这种不确定性可能会让大公司犹豫不决，他们通常更倾向于投资于已被证实回报稳定的技术和市场。　　大规模生产的挑战：虽然高质量的石墨烯可以在实验室生产，但将这些过程扩展到工业规模仍然是一个技术挑战。石墨烯的大规模生产需要解决许多工程和材料问题，同时保持质量。　　投资回报周期：对于大型企业来说，石墨烯投资的回报可能需要很长时间才能出现，这与他们通常预期的快速回报周期不一致。　　尽管面临许多挑战，石墨烯缓冲层的成功生长不仅标志着石墨烯材料本身的重大突破，也为我们在半导体材料的未来应用打开了一扇窗。　　写在最后　　如今，为了继续促进集成电路的发展，学术界和工业界对未来电子学的核心材料、设备结构和系统架构进行了广泛的探索和深入的研究。值得一提的是，中国研究学者在新材料研究中的作用越来越突出。除了天津大学天津纳米颗粒和纳米系统国际研究中心马雷教授研究团队对半导体石墨烯延伸的贡献外，北京大学张志勇彭培矛团队在先进节点碳基集成电路领域取得了重要进展，碳纳米管晶体管表现出超越商用硅基晶体管的潜力，因此在未来的数字集成电路应用中，他们探索将碳基晶体管进一步减少到10 nm节点的可能性[2]。　　我们可以预见多功能半导体材料集成时代的到来，这将极大地扩大现有硅基电子学的应用边界。