中國(guó)粉體網(wǎng)訊 日前，據(jù)媒體報(bào)道，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院研究人員創(chuàng)造了世界上第一個(gè)由石墨烯制成的功能半導(dǎo)體。研究團(tuán)隊(duì)使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上生長(zhǎng)外延石墨烯時(shí)取得了突破。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制造得當(dāng)時(shí)，外延石墨烯會(huì)與碳化硅發(fā)生化學(xué)鍵合，并開(kāi)始表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。測(cè)量表明，他們的石墨烯半導(dǎo)體的遷移率是硅的10倍。研究發(fā)表在《自然》雜志上。
自2004年以來(lái)，石墨烯的問(wèn)世引起各國(guó)研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。石墨烯具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的熱力學(xué)、光學(xué)和電學(xué)特性。SiC襯底外延石墨烯具有晶體質(zhì)量高、層數(shù)均勻可控、無(wú)需襯底轉(zhuǎn)移、可直接應(yīng)用于微電子器件研究的優(yōu)點(diǎn)，是目前制備晶圓級(jí)石墨烯材料的主要方法之一。
碳化硅外延生長(zhǎng)石墨烯法的具體實(shí)現(xiàn)原理是加熱單晶SiC或?qū)iC進(jìn)行催化，使SiC熱解碳硅間共價(jià)鍵斷開(kāi)碳原子析出或硅原子升華，然后對(duì)基板快速降溫，碳原子在襯底表面析出重新排列，形成石墨烯。寬禁帶半導(dǎo)體SiC作為絕緣襯底，相比于其它制備方法，SiC外延石墨烯法不需要襯底轉(zhuǎn)移，但生成的石墨烯物理性質(zhì)受SiC襯底的影響很大，硅面生成的石墨烯由于和Si層接觸，石墨烯導(dǎo)電性受到較大影響，而碳面生成的石墨烯則有著極為優(yōu)良的導(dǎo)電能力。另外對(duì)碳化硅外延石墨烯方法的改進(jìn)越來(lái)越多，改變溫度壓力保護(hù)氣或用氯氣催化等，可制備出少層高質(zhì)量大面積石墨烯，對(duì)這種方法的研究也更加深入。
SiC襯底外延石墨烯原理
2014年，蔚翠等人提出“近平衡態(tài)生長(zhǎng)”模式，即在SiC襯底高溫?zé)峤膺^(guò)程中引入氬氣惰性氣氛和硅蒸氣，使SiC襯底表面的Si原子升華與返回概率接近平衡，外延石墨烯生長(zhǎng)速率大大減慢，缺陷減少，晶體質(zhì)量提高，電學(xué)特性提高。理論計(jì)算顯示，SiC襯底高溫?zé)峤庵苽涞牡谝粚邮┯?0%的C原子與SiC襯底中Si原子結(jié)合，形成C—Si共價(jià)鍵，第一層石墨烯被稱作緩沖層。緩沖層附近的界面散射和SiC襯底的遠(yuǎn)程聲子散射都會(huì)影響石墨烯的遷移率。
目前，去除石墨烯緩沖層最常見(jiàn)和有效的方法是氫氣鈍化。其基本過(guò)程是在高溫下H原子插入石墨烯緩沖層與襯底之間，C—Si鍵斷裂，H原子取代C原子與襯底Si原子形成H—Si鍵，緩沖層中的C原子懸浮在SiC襯底表面，形成“近自由態(tài)石墨烯”。由于氫氣鈍化打開(kāi)石墨烯與襯底的間距，減少了界面散射和襯底遠(yuǎn)程聲子散射，石墨烯電學(xué)特性大幅提高，遷移率由1000cm2/(V·s)上升至3000～4000cm2/(V·s)。
除高溫?zé)峤夥ㄖ猓�有一些研究學(xué)者采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法在SiC襯底外延石墨烯，并取得一定進(jìn)展。2010年，J.Hwang等人和A.Michon等人分別使用氬氣和氫氣作為載氣，丙烷作為碳源，在SiC襯底上獲得了石墨碳膜或少層石墨烯，這表明直接在SiC襯底上CVD法生長(zhǎng)石墨烯是可行的。
2018年，Q.B.Liu等人提出梯度CVD法，該方法在低溫階段生長(zhǎng)一段時(shí)間獲得石墨烯成核位點(diǎn)，隨后升溫至高溫階段，在高溫階段繼續(xù)生長(zhǎng)形成完整的石墨烯晶體。該組人員在4H-SiC襯底上外延單層石墨烯，材料霍爾遷移率為9010cm2/(V·s)，這是SiC襯底外延石墨烯室溫遷移率最高值(基于10 mm×10 mm尺寸測(cè)試)。
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所的研究人員采用高溫?zé)峤夥ê虲VD法在SiC襯底生長(zhǎng)石墨烯材料，研究了兩種生長(zhǎng)方法對(duì)石墨烯材料性質(zhì)的影響以及生長(zhǎng)機(jī)理的差異。研究發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)峤夥ㄉL(zhǎng)石墨烯材料平坦均勻，褶皺少，電學(xué)特性受襯底影響大，遷移率較低。CVD法石墨烯材料整體均勻，褶皺較多，缺陷少，晶體質(zhì)量好。該方法制備的石墨烯材料受到SiC襯底影響小，電學(xué)特性好，遷移率較高。
石墨烯4寸晶圓包含約7萬(wàn)5,000顆組件及測(cè)試結(jié)構(gòu)；右上方小圖是每顆芯片的放大
碳化硅外延石墨烯是制備石墨烯基器件的優(yōu)選方案，其不僅可以制備晶圓尺寸的大面積、高質(zhì)量的石墨烯，又可免去石墨烯的轉(zhuǎn)移過(guò)程，還可采用現(xiàn)代半導(dǎo)體器件工藝技術(shù)進(jìn)行石墨烯器件的直接構(gòu)建，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景廣闊。
來(lái)自國(guó)際集成電路會(huì)議預(yù)測(cè)，半導(dǎo)體CMOS技術(shù)可能在2024年的7nm制程走向終結(jié)，而石墨烯是其首選替代技術(shù)。佐治亞理工學(xué)院納米技術(shù)研究中心的James D.Meind1預(yù)測(cè)，到2024年，硅MOSFET在溝道和柵極的最短長(zhǎng)度、柵極絕緣層的厚度上將走到盡頭。石墨烯代替硅還有很長(zhǎng)的路要走。
參考來(lái)源：
盛百城等: 碳化硅襯底外延石墨烯
韋超：碳化硅外延石墨烯方法生長(zhǎng)設(shè)備研制與工藝探索
郭云龍：硼離子注入對(duì)碳化硅外延石墨烯的物性調(diào)控及相關(guān)表征
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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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