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原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

石墨烯革命最初是由寻找性能优于硅的电子材料推动的。石墨烯本质上是一种半金属，其独特的狄拉克锥能带结构，导致了零带隙的特性。“零带隙”特性正是困扰石墨烯研究者数十年的难题，一度使很多人认为“石墨烯电子学”永远不会成功。如何打开带隙，成为开启“石墨烯电子学”大门的“关键钥匙”。

然而，半导体石墨烯的研究仍存在以下问题：

有鉴于此，天津大学马雷教授研究团队提出了一种准平衡退火方法，该方法可在宏观原子级平台上生长半导体石墨烯SEG（即高度有序缓冲层）。SEG晶格与SiC衬底对准。作者证明了单晶碳化硅衬底上的SEG的带隙为0.6 eV，室温迁移率超过5,000 cm²V⁻¹s⁻¹，比硅大10倍，比其他二维半导体大20倍。它具有化学、机械和热稳定性，可以使用传统的半导体制造技术进行图案化并无缝连接到半金属准悬浮石墨烯。这些基本特性使 SEG 适用于纳米电子学。   

技术方案：

1、成功制备了SEG

作者提出了一种准平衡SEG制备方法，覆盖有SEG的（0001）面极其稳定，比任何其他SiC面都稳定，特别是比裸露的（0001）面更稳定，这为生产出晶圆级别的单晶SEG提供了重要依据。

2、在不同尺度上表征了SEG

作者通过多种表征方法在所有相关长度尺度上研究了SEG，发现无论是在平台上还是在衬底台阶上都没有证据表明石墨烯存在，证实了SEG的成功制备。

3、表征了SEG的传输特性

作者通过吸附氧分子的电荷转移进行掺杂的SEG器件研究展示了SEG的固有传输特性，获得的室温迁移率高达5500 cm²V⁻¹s⁻¹，开关比为10⁴。

技术优势：

1、提出了一种准平衡生产方法实现了高质量SEG的制备

作者展示了一种准平衡生产方法，可以在宏观尺度上生产高质量的SEG，SEG与SiC晶格进行原子对准，并可使用传统方法进行图案化，使其成为2D纳米电子学的理想平台。

2、获得了迄今为止最高的室温迁移率

本工作制备的SEG带隙为0.6 eV，室温迁移率高达μ=5500 cm²V⁻¹s⁻¹，比硅的室温迁移率大10倍，且比迄今为止报道的任何其他2D半导体理论上可能实现的值高出20倍。

技术细节

SEG生产

作者提出了一种准平衡SEG制备方法，该方法与碳化硅晶体生产的物理蒸汽升华过程密切相关，其中SiC衬底在高温下，在充有Ar气气氛下的石墨坩埚中升华，蒸汽在较冷的SiC上凝结以产生SEG晶体。作者发现有证据表明，在C面对Si面的情况下，较热的C面上形成了薄的Si薄膜，而大的SEG面则生长在SiC的(0001)面上。实验上仅形成了SEG，并没有石墨烯存在的证据。作者通过实验得出结论，覆盖有SEG的（0001）面极其稳定，比任何其他SiC面都稳定，特别是比裸露的（0001）面更稳定，这为生产出晶圆级别的单晶SEG提供了重要依据。

图1  SEG制备

图2  SEG表征

图3 氧掺杂SEG霍尔棒的输运特性

图4  预测的SEG场效应特性

总之，作者证明了结晶良好的半导体石墨烯是一种性能优异的二维半导体，其带隙为0.6 eV，并且室温迁移率大于所有当前的二维半导体。原型FET的开关比为10⁴，在优化器件中可能达到10⁶。此外，半导体石墨烯可以形成纳米图案，这对于其他衬底上的石墨烯来说是不可能的。SEG可以与各种原子和分子进行插层反应，成为新型电子和磁性材料。总之，SEG为2D纳米电子学提供了机会，具有未来商业可行性的显着潜力。   

参考文献：

J. Zhao, P. Ji, Y. Li, R. Li, K. Zhang, H. Tian, K. Yu, B. Bian, L. Hao, X. Xiao, W. Griffin, N. Dudeck, R. Moro, L. Ma and W. A. de Heer, et al. Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide. Nature625, 60–65 (2024).