世界上第一個由石墨烯制成的功能半導體

由于石墨烯缺乏本征帶隙，半導體石墨烯在石墨烯納米電子學中起著重要作用。在過去的二十年中，通過量子限域或化學官能團化來改變帶隙的嘗試未能生產出可行的半導體石墨烯。

佐治亞理工學院的Walter de Heer教授聯合天津大學的馬雷教授證明了在單晶碳化硅襯底上的半導體外延石墨烯（SEG）具有0.6 eV的帶隙和超過5,000 cm2?V-1?s-1的室溫遷移率，是硅的10倍，其他二維半導體的20倍，換句話說，電子以非常低的阻力移動，效率更高。這個世界上第一個由石墨烯制成的功能半導體，克服了電子領域的一個主要障礙，為電子產品的新方式打開了大門。

當硅從碳化硅晶體表面蒸發時，富碳表面會結晶產生石墨烯多層膜。在碳化硅的硅末端面上形成的第一個石墨層是一種絕緣外石墨層，部分共價結合到碳化硅表面。對這個緩沖層的光譜測量顯示了半導體的特征，但由于雜質的存在，這一層的遷移率受到了限制。

研究人員展示了一種準平衡退火方法，可以在宏觀原子平階上產生SEG（即一個有序的緩沖層），SEG晶格與SiC襯底對齊。它具有化學、機械和熱穩定性，可以使用傳統的半導體制造技術進行圖案化并與半金屬外延石墨烯無縫連接。這些基本特性使SEG適用于納米電子學。相關研究成果以“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”（超高遷移率半導體外延石墨烯）為題，1月3日發表于《Nature》。

在自然形式下，石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬。帶隙是一種在施加電場時可以打開和關閉的材料，這就是所有晶體管和硅電子器件的工作原理。石墨烯電子學研究的主要問題是如何打開和關閉它，以便它可以像硅一樣工作。

但要制造功能性晶體管，必須對半導體材料進行大量操作，這可能會損害其性能。為了證明他們的平臺可以作為可行的半導體發揮作用，該團隊需要在不損壞它的情況下測量其電子特性。他們將原子放在石墨烯上，向其“捐贈”電子——一種稱為摻雜的技術，用于查看該材料是否是良好的導體。

SEG生產

傳統的外延石墨烯和緩沖層是在密閉控制升華（CCS）爐中生長的，將3.5 mm × 4.5 mm的半絕緣碳化硅芯片放置在圓柱形石墨坩堝中，在1 bar的氬氣環境下，于1300 °C 至1600 °C 的溫度范圍內退火。硅從坩堝中逸出的速度決定了石墨烯在表面形成的速度。因此，生長溫度和石墨烯形成率都是可控的。

在C面到Si面的配置中，較熱的C面上會形成一層薄薄的Si 膜，而在Si面上則會生長出SEG涂層(0001) 的大刻面。因此，硅面缺失的硅可能會凝結在C面，以保持化學計量。當溫度梯度倒置時，硅面的溫度高于C面，質量傳輸從硅面到C面，硅面也會形成大的SEG涂層（0001）梯度。顯然，在這種倒置晶體生長過程中，基底階躍從源蒸發，在硅面上留下大的（0001）梯度。因此得出結論：SEG 涂層（0001）面比任何其他碳化硅面都更穩定，特別是比裸露的（0001）面更穩定，這意味著原則上應該可以生產出晶圓級單晶 SEG。

圖1. SEG制備。a，CCS爐的示意圖。b，兩塊芯片疊放，底層芯片的C面面向頂層芯片的Si面。c，SEG分為三個階段生長。在階段I中，芯片在真空中加熱至900℃，約25分鐘以清潔表面；在階段II中，在1 bar的Ar氣氛中將樣品加熱至約1300℃，產生規則的雙層SiC階梯和約0.2 μm寬的平臺。SEG包覆的(0001)平臺在階段III中在1 bar的Ar氣氛中以1600°C生長，其中階梯團和階梯流產生大而原子平坦的平臺，平臺上形成一個在C面和Si面之間建立的準平衡條件下生長的緩沖層。

SEG表征

SEG 可在所有相關長度尺度上進行研究。在 100 納米到 1 毫米的尺度上，掃描電子顯微鏡（SEM）可提供高對比度，區分裸 SiC、SEG 和石墨烯。在納米尺度上，石墨烯和 SEG 在掃描隧道顯微鏡 (STM) 中也很容易通過 SiC 6x6 調制來識別。低能電子衍射（LEED）可用于識別 SEG，并驗證其與碳化硅基底的原子配位。拉曼光譜（1-100 微米）對石墨烯和 SEG 非常敏感，石墨烯的痕量很容易通過其強烈的二維特征峰識別出來。側向力顯微鏡（LFM）可在 10 微米的掃描范圍內將 SEG 與碳化硅和石墨烯區分開來。原子力顯微鏡 (AFM)、掃描電鏡和光學顯微鏡可顯示表面階梯。圖 2e 顯示了低溫 STM 圖像，映射出 SEG 的狀態密度 (DOS) 與費米能的函數關系。該圖像顯示了 0.6 eV 的明確帶隙。與傳統升華方法制備的緩沖層樣品相比，帶隙中沒有可檢測到的狀態。

圖2. SEG表征，展示了高覆蓋度、有序、無石墨烯、與晶體對齊的SEG，具有明確定義的帶隙。a，整個3.5 mm×4.5 mm晶片的復合電子顯微鏡圖像。b，SEG的低溫原子分辨率STM圖像。c，SEG的LEED顯示了SEG晶格的特征6√3 × 6√3 R30°衍射圖樣，顯示了其石墨烯晶體結構和SEG相對于SiC襯底原子的晶體學對齊。d，具有1 μm分辨率的50 μm × 50 μm區域的拉曼圖。e，SEG的低溫STS，顯示SEG的0.6 eV帶隙與SEG的計算DOS進行比較，在帶隙中沒有可測的強度，表明雜質態的密度很低。

SEG傳輸特性

樣品的電導率隨著溫度的升高呈單調增長。室溫下的電導率為 1×10-3S 至 8×10-3S，對應的電阻率 ρ 為125 Ω至330 Ω。電荷密度從0.2×1012 cm-2到 40×1012 cm-2不等。STS 測量結果表明，SEG 本質上是電荷中性的，因此電荷是由環境氣體和光刻加工產生的殘余電阻造成的。遷移率一般隨溫度升高而增加，在較高溫度下趨于飽和。測得的最大遷移率為 5500 cm2V-1s-1。室溫下的 SEG 傳導率、電荷密度和遷移率都在典型的石墨烯范圍內。

圖3. 鍍氧SEG霍爾棒的傳輸特性。a，隨著溫度的升高，電導率增加被歸因于表面吸附的單層氧的電離增加。b，電荷密度與溫度的關系。c，電荷密度與逆溫度的阿倫尼烏斯圖。d，霍爾棒遷移率隨溫度的顯著增加。e，來自SEG的熱電子轉移到氧單層導致SEG成為摻雜空穴。f，從帶隙中使用局域態進行低遷移率的躍遷輸運到高遷移率帶輸運的過渡，這里以電子輸運為例。

根據測量到的半導體導電率和 DOS，可以預測場效應晶體管的響應。結果顯示導通比為106，閾下斜率為每10年60 mV，足以滿足數字電子技術的要求。

審核編輯：劉清