世界首个！中国团队主导！半导体材料大突破

2024.01.04

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导读：据了解，该研究以天津大学团队为主导，并非网传由外国高校主导。

作者 | 第一财经 樊雪寒

1月4日，二级市场石墨烯概念股异动，德尔未来（002631.SZ）早盘期间涨幅一度逼近10%。截至全天收盘，该公司股价报6.47元/股，涨幅6.07%。

消息面上，有媒体报道称有研究团队创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体，相关论文发表在权威期刊Nature杂志上。

第一财经记者在检索Nature网站后发现，上述报道所述论文名为“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”（《碳化硅上的超高迁移率半导体外延石墨烯》），论文的共同第一作者赵健、纪佩璇、李雅奇、李睿四人以及其余多位署名作者主要来自中国天津大学研究团队，同时也有美国佐治亚理工学院的研究人员。

第一财经记者随后独家联系了该团队，团队指导教师天津大学讲席教授，天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心执行主任马雷向第一财经记者指出，该研究以天津大学团队为主导，并非网传由外国高校主导。“是我带着我们学生做的。” 马雷指出。

马雷告诉记者，该研究成果发现于2021年下半年，上述论文成文于2022年。研究由文章的署名作者之一 Walt A. de Heer提点研究方向，马雷带领的中国研究团队承担了主要的研究和攻关工作。“这在论文的‘Contribution’部分已经写得很清楚。”他表示。

他同时告诉记者，这应该是第一个石墨烯制成的功能半导体。

那么，震动二级市场和科研界的石墨烯半导体究竟为何物？该研究为何能够引发多方关注？

根据论文摘要，马雷研究团队使用特殊熔炉在由有机薄膜覆盖的碳化硅晶圆上生长石墨烯时生产了大面积单晶类石墨烯材料，这是一种在碳化硅晶面上生长的物质，结构外延石墨烯几乎一样但是没有较好的导电性。研究发现，这是典型的半导体特性即所谓的半导体石墨烯。测量表明，它在室温下具有硅的10倍以上的迁移率。

产界和学界各方当前都在寻找替代硅的半导体制造材料。因为随着摩尔定律走向极限，传统硅材料在晶体管的制造上遇到了瓶颈，现代研究发现，当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性会变差。

2004年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用石墨烯研制出了当时世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。这项研究将石墨烯带进了大众的视野，也将二位科学家送上了2010年诺贝尔物理学奖的领奖台。不过人们逐渐发现，石墨烯这种材料没有带隙，因此它的开关比非常低，很难呈现出半导体的特性，难以用于数字电路的制造。

电子学依赖于使用由半导体材料制成的开关设备，其中可以控制电流，理想情况下可以控制单个电荷的运动。而半导体之所以能做到这一点，是因为其电子的允许能量在低能带和高能带之间留下了间隙，电子可以被激发穿过这个“带隙”。具有不同大小带隙的材料可以具有互补功能，例如执行逻辑运算、供电或充当传感器。在过去的二十年里，人们一直试图通过量子限制或化学功能化来改变带隙，但都未能制备出可行的半导体石墨烯。

“做石墨烯的人一直想开带隙，但是传统开带隙有个大问题，就是会很大程度上损失材料的本征特性。而我们的研究相当于是石墨烯电子学走向实用化的最后一个关口，就是怎么样在保证材料高迁移率的前提下同时又开出了带隙。”马雷解释。

“我们的这项研究之所以受到重视，是因为它对未来石墨烯电子学真正走向实用化，搬掉了最大的石头。”马雷说。 

马雷团队的研究发现，当硅从碳化硅晶体表面蒸发时，富碳表面会结晶产生石墨烯多层膜。在碳化硅的硅端面形成的第一个石墨层是与碳化硅表面部分共价键合的绝缘外石墨烯层。对这一缓冲层的光谱测量显示出半导体特征 ，但由于无序，该层的迁移率受到限制。

该团队继而使用了一种准平衡退火方法，它能在宏观原子平阶上产生了一个有序的缓冲层（SEG）。该层的晶格与碳化硅基底对齐，它具有化学、机械和热稳定性，可使用传统半导体制造技术进行图案化并与半金属外延石墨烯无缝连接。这些基本特性使 SEG 适用于纳米电子学。

对于石墨烯半导体的应用价值，马雷告诉记者，这种材料如果投入工业应用，在成本上，基本可比拟现在市面上的半导体制造材料，而在性能上，则将更加优越。

不过该项研究距离工业化落地还尚远。“我估计还要10到15年，才能真正能看到石墨烯半导体完全落地。”马雷指出。记者了解到，当前马雷和他的团队正在努力尝试让石墨烯半导体材料长在更大尺寸的碳化硅衬底上。