中国粉体网讯 日前，据媒体报道，美国佐治亚理工学院研究人员创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体。研究团队使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长外延石墨烯时取得了突破。研究发现，当制造得当时，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并开始表现出半导体特性。测量表明，他们的石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍。研究发表在《自然》杂志上。
自2004年以来，石墨烯的问世引起各国研究学者的广泛关注。石墨烯具有独特的晶体结构，优异的热力学、光学和电学特性。SiC衬底外延石墨烯具有晶体质量高、层数均匀可控、无需衬底转移、可直接应用于微电子器件研究的优点，是目前制备晶圆级石墨烯材料的主要方法之一。
碳化硅外延生长石墨烯法的具体实现原理是加热单晶SiC或对SiC进行催化，使SiC热解碳硅间共价键断开碳原子析出或硅原子升华，然后对基板快速降温，碳原子在衬底表面析出重新排列，形成石墨烯。宽禁带半导体SiC作为绝缘衬底，相比于其它制备方法，SiC外延石墨烯法不需要衬底转移，但生成的石墨烯物理性质受SiC衬底的影响很大，硅面生成的石墨烯由于和Si层接触，石墨烯导电性受到较大影响，而碳面生成的石墨烯则有着极为优良的导电能力。另外对碳化硅外延石墨烯方法的改进越来越多，改变温度压力保护气或用氯气催化等，可制备出少层高质量大面积石墨烯，对这种方法的研究也更加深入。
SiC衬底外延石墨烯原理
2014年，蔚翠等人提出“近平衡态生长”模式，即在SiC衬底高温热解过程中引入氩气惰性气氛和硅蒸气，使SiC衬底表面的Si原子升华与返回概率接近平衡，外延石墨烯生长速率大大减慢，缺陷减少，晶体质量提高，电学特性提高。理论计算显示，SiC衬底高温热解制备的第一层石墨烯有30%的C原子与SiC衬底中Si原子结合，形成C—Si共价键，第一层石墨烯被称作缓冲层。缓冲层附近的界面散射和SiC衬底的远程声子散射都会影响石墨烯的迁移率。
目前，去除石墨烯缓冲层最常见和有效的方法是氢气钝化。其基本过程是在高温下H原子插入石墨烯缓冲层与衬底之间，C—Si键断裂，H原子取代C原子与衬底Si原子形成H—Si键，缓冲层中的C原子悬浮在SiC衬底表面，形成“近自由态石墨烯”。由于氢气钝化打开石墨烯与衬底的间距，减少了界面散射和衬底远程声子散射，石墨烯电学特性大幅提高，迁移率由1000cm2/(V·s)上升至3000～4000cm2/(V·s)。
除高温热解法之外，还有一些研究学者采用化学气相沉积(CVD)法在SiC衬底外延石墨烯，并取得一定进展。2010年，J.Hwang等人和A.Michon等人分别使用氩气和氢气作为载气，丙烷作为碳源，在SiC衬底上获得了石墨碳膜或少层石墨烯，这表明直接在SiC衬底上CVD法生长石墨烯是可行的。
2018年，Q.B.Liu等人提出梯度CVD法，该方法在低温阶段生长一段时间获得石墨烯成核位点，随后升温至高温阶段，在高温阶段继续生长形成完整的石墨烯晶体。该组人员在4H-SiC衬底上外延单层石墨烯，材料霍尔迁移率为9010cm2/(V·s)，这是SiC衬底外延石墨烯室温迁移率最高值(基于10 mm×10 mm尺寸测试)。
中国电子科技集团公司第十三研究所的研究人员采用高温热解法和CVD法在SiC衬底生长石墨烯材料，研究了两种生长方法对石墨烯材料性质的影响以及生长机理的差异。研究发现，高温热解法生长石墨烯材料平坦均匀，褶皱少，电学特性受衬底影响大，迁移率较低。CVD法石墨烯材料整体均匀，褶皱较多，缺陷少，晶体质量好。该方法制备的石墨烯材料受到SiC衬底影响小，电学特性好，迁移率较高。
石墨烯4寸晶圆包含约7万5,000颗组件及测试结构；右上方小图是每颗芯片的放大
碳化硅外延石墨烯是制备石墨烯基器件的优选方案，其不仅可以制备晶圆尺寸的大面积、高质量的石墨烯，又可免去石墨烯的转移过程，还可采用现代半导体器件工艺技术进行石墨烯器件的直接构建，产业应用前景广阔。
来自国际集成电路会议预测，半导体CMOS技术可能在2024年的7nm制程走向终结，而石墨烯是其首选替代技术。佐治亚理工学院纳米技术研究中心的James D.Meind1预测，到2024年，硅MOSFET在沟道和栅极的最短长度、栅极绝缘层的厚度上将走到尽头。石墨烯代替硅还有很长的路要走。
参考来源：
盛百城等: 碳化硅衬底外延石墨烯
韦超：碳化硅外延石墨烯方法生长设备研制与工艺探索
郭云龙：硼离子注入对碳化硅外延石墨烯的物性调控及相关表征
科技日报
（中国粉体网编辑整理/平安）
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