4日，記者從天津大學(xué)獲悉，該校納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心的馬雷教授團隊攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，在保證石墨烯優(yōu)良特性的前提下，打開了石墨烯帶隙，成為開啟石墨烯芯片制造領(lǐng)域大門的重要里程碑。該研究成果論文《碳化硅上生長的超高遷移率半導(dǎo)體外延石墨烯》1月3日在線發(fā)表于國際期刊《自然》。

（天津大學(xué)供圖）

據(jù)介紹，石墨烯作為首個被發(fā)現(xiàn)可在室溫下穩(wěn)定存在的二維材料，未來在微電子學(xué)領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景。但其獨特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了“零帶隙”的特性，成為石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用的阻礙，這也是困擾石墨烯研究者數(shù)十年的難題。

馬雷團隊通過對外延石墨烯生長過程的精確調(diào)控，成功在石墨烯中引入了帶隙，創(chuàng)造了一種新型穩(wěn)定的半導(dǎo)體石墨烯。這種半導(dǎo)體石墨烯的電子遷移率遠(yuǎn)超硅材料，表現(xiàn)出了十倍于硅的性能，并且擁有硅材料所不具備的獨特性質(zhì)。

“團隊通過嚴(yán)格控制生長環(huán)境的溫度、時間及氣體流量，確保了碳原子在碳化硅襯底上能形成高度有序的結(jié)構(gòu)。”馬雷介紹。

據(jù)了解，該項研究實現(xiàn)了三方面技術(shù)革新。首先，采用創(chuàng)新的準(zhǔn)平衡退火方法，制備出超大單層單晶疇半導(dǎo)體外延石墨烯（SEG），其具有生長面積大、均勻性高，工藝流程簡單、成本低廉等優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的不足；第二，該方法制備的半導(dǎo)體石墨烯，擁有約600毫電子伏帶隙以及高達5500厘米平方每伏特秒的室溫霍爾遷移率，優(yōu)于目前所有二維晶體至少一個數(shù)量級。高遷移率意味著，單位時間內(nèi)承載的信息量越高，計算機運算速率越快，處理信息的速度更快；最后，以該半導(dǎo)體外延石墨烯制備的場效應(yīng)晶體管開關(guān)比高達10000，基本滿足了工業(yè)化應(yīng)用需求。

隨著摩爾定律所預(yù)測的極限日益臨近，半導(dǎo)體石墨烯的出現(xiàn)為高性能電子器件帶來了全新的材料選擇，其突破性的屬性滿足了對更高計算速度和微型化集成電子器件不斷增長的需求，也為整個半導(dǎo)體行業(yè)注入了新動力。