特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（米測 技術中心）
編輯丨風云
石墨烯革命最初是由尋找性能優于硅的電子材料推動的。石墨烯本質上是一種半金屬，其獨特的狄拉克錐能帶結構，導致了零帶隙的特性。“零帶隙”特性正是困擾石墨烯研究者數十年的難題，一度使很多人認為“石墨烯電子學”永遠不會成功。如何打開帶隙，成為開啟“石墨烯電子學”大門的“關鍵鑰匙”。
然而，半導體石墨烯的研究仍存在以下問題：
有鑒于此，天津大學馬雷教授研究團隊提出了一種準平衡退火方法，該方法可在宏觀原子級平臺上生長半導體石墨烯SEG（即高度有序緩沖層）。SEG晶格與SiC襯底對準。作者證明了單晶碳化硅襯底上的SEG的帶隙為0.6?eV，室溫遷移率超過5,000?cm2V?1s?1，比硅大10倍，比其他二維半導體大20倍。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無縫連接到半金屬準懸浮石墨烯。這些基本特性使 SEG 適用于納米電子學。
技術方案：
1、成功制備了SEG
作者提出了一種準平衡SEG制備方法，覆蓋有SEG的（0001）面極其穩定，比任何其他SiC面都穩定，特別是比裸露的（0001）面更穩定，這為生產出晶圓級別的單晶SEG提供了重要依據。
2、在不同尺度上表征了SEG
作者通過多種表征方法在所有相關長度尺度上研究了SEG，發現無論是在平臺上還是在襯底臺階上都沒有證據表明石墨烯存在，證實了SEG的成功制備。
3、表征了SEG的傳輸特性
作者通過吸附氧分子的電荷轉移進行摻雜的SEG器件研究展示了SEG的固有傳輸特性，獲得的室溫遷移率高達5500?cm2V?1s?1，開關比為104。
技術優勢：
1、提出了一種準平衡生產方法實現了高質量SEG的制備
作者展示了一種準平衡生產方法，可以在宏觀尺度上生產高質量的SEG，SEG與SiC晶格進行原子對準，并可使用傳統方法進行圖案化，使其成為2D納米電子學的理想平臺。
2、獲得了迄今為止最高的室溫遷移率
本工作制備的SEG帶隙為0.6?eV，室溫遷移率高達μ=5500?cm2V?1s?1，比硅的室溫遷移率大10倍，且比迄今為止報道的任何其他2D半導體理論上可能實現的值高出20倍。
技術細節
SEG生產
作者提出了一種準平衡SEG制備方法，該方法與碳化硅晶體生產的物理蒸汽升華過程密切相關，其中SiC襯底在高溫下，在充有Ar氣氣氛下的石墨坩堝中升華，蒸汽在較冷的SiC上凝結以產生SEG晶體。作者發現有證據表明，在C面對Si面的情況下，較熱的C面上形成了薄的Si薄膜，而大的SEG面則生長在SiC的(0001)面上。實驗上僅形成了SEG，并沒有石墨烯存在的證據。作者通過實驗得出結論，覆蓋有SEG的（0001）面極其穩定，比任何其他SiC面都穩定，特別是比裸露的（0001）面更穩定，這為生產出晶圓級別的單晶SEG提供了重要依據。
圖1 SEG制備
圖2 SEG表征
圖3 氧摻雜SEG霍爾棒的輸運特性
圖4 預測的SEG場效應特性
總之，作者證明了結晶良好的半導體石墨烯是一種性能優異的二維半導體，其帶隙為0.6 eV，并且室溫遷移率大于所有當前的二維半導體。原型FET的開關比為104，在優化器件中可能達到106。此外，半導體石墨烯可以形成納米圖案，這對于其他襯底上的石墨烯來說是不可能的。SEG可以與各種原子和分子進行插層反應，成為新型電子和磁性材料。總之，SEG為2D納米電子學提供了機會，具有未來商業可行性的顯著潛力。
參考文獻：
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).
