技经观察 | 碳基半导体：中国芯片产业发展新机遇技术篇( 六 ) 碳基半导体作为有可能继承硅

二是现有性能不足。以麻省理工学院2019年发布的全球首款碳纳米管通用计算芯片RV16X-NANO为例，虽然该芯片的规模与英特尔1985年发布的80386芯片相当，但其在运行频率上和80386芯片仍有不小差距。 80386的运行频率为16MHz ，而碳纳米管芯片的最大频率仅为1.19MHz 。造成这种差异的原因在于电子元件的电容以及晶体管可以承载的电流量较为有限。硅晶体管每微米宽度可承载大约1毫安的电流（1mA/μm），而碳纳米管晶体管每微米宽度只能承载约6微安的电流（6μA/μm）。
2. 石墨烯技术难题
（1）带隙问题
半导体由其带隙所定义，带隙指的是激发一个电子，使其从不能导电的价带跃迁到可以导电的导带所需要的能量。石墨烯作为晶体管应用时，带隙必须足够大，才能使晶体管开和关之间的状态对比明显，从而准确无误地处理信息。然而，常规的大片石墨烯是一种零带隙材料，在费米能级处其电导率不会像一般半导体一样降为零，而是达到一个最小值，以此作为沟道的晶体管很难被关断，进而限制石墨烯应用于晶体管。因此，如何产生禁带以实现高的开关比是石墨烯晶体管研究重点。根据文献报道，当前产生禁带方法包括直接产生禁带法和间接产生禁带法。
直接产生禁带方面，研究表明，当构造的石墨烯纳米带宽度小于10nm时，可利用纳米石墨烯的量子效应和边缘效应来有效地打开能带带隙，从而使其产生半导体性质。 2008年，英国研究人员制备出仅一个原子厚几纳米宽的石墨烯量子点器件。在这种尺度下，石墨烯存在约0.5eV的禁带宽度，且器件仍然能保持较好的导电性。间接产生禁带方面，主要是通过引入具有非零禁带的物质作为势垒产生禁带，在石墨烯表面和边界上构造异质结，形成异质结晶体管。 2019年，中国科学院金属研究所提出一种石墨烯基异质结晶体管，其中石墨烯夹在硅层之间。研究人员制备出一种垂直结构的硅-石墨烯-锗晶体管，成功将石墨烯基区晶体管的延迟时间缩短了1000倍以上，并将其截止频率由兆赫兹提升至吉赫兹领域。该晶体管为超高速运行器件的发展奠定了重要基础。当前，虽然研究人员通过各种方法产生禁带，但效果未达到预期，石墨烯带隙仅能达到360meV ，开关电流比限制在了103（石墨烯纳米带开关电流比可达到105），远远小于需要的106 。由此可见，石墨烯真正实现规模化应用还需进行更深入的研究。
文章插图
来源：孙东明《垂直结构的硅-石墨烯-锗晶体管》
图3-1 硅-石墨烯-锗晶体管的设计和制备
a.器件的制备流程 b-d.器件的光学、SEM和截面示意图 e.器件原理示意图
（2）制备问题
石墨烯除带隙问题外，其制备问题也一定程度上限制了在半导体领域的应用。制备出高质量石墨烯薄膜是石墨烯成功应用于半导体领域的关键。目前，应用较为广泛的石墨烯制备方法主要有：微机械剥离法、化学氧化-还原法、化学气相沉积法（CVD）和外延生长法等。微机械剥离法制备的石墨烯完整度较高，但是操作复杂，可控性低，成本较高且效率低下，实际生产中很少被采用；化学氧化-还原法操作简单，可以制备大规模石墨烯，被广泛用于石墨烯复合材料制备，但氧化石墨烯表面的含氧官能团不能完全被还原，易出现结构缺陷，空洞等破坏石墨烯共轭大π键，影响石墨烯的导电性能；化学气相沉积法制备的石墨烯完整度很高，在精细加工领域，比如集成电路方面，可以充分发挥其优势，但由于其在金属层上沉积，需要腐蚀掉金属层才能得到石墨烯，成本较高；外延生长法得到的石墨烯，难转移、不能精确控制石墨烯厚度，很难得到大尺寸、高均匀性的石墨烯，原料碳化硅又十分昂贵，不适合一次性制得大量的石墨烯。
对半导体领域而言，目前制备石墨烯单晶主要有两种途径：一种是以单点形核控制来制备石墨烯单晶；另一种是表面外延生长取向一致的石墨烯晶畴，最后以无缝拼接的方法来制备石墨烯单晶，外延生长制备石墨烯单晶主要采用铜单晶或者锗作为衬底。然而，这两种途径中石墨烯单晶晶圆的生长一般需要在1000℃或更高温度下。在此温度下，容易产生褶皱、污染，导致石墨烯性能降低。
理想的石墨烯制备方法是工艺简单、可控性强、成本低廉、效果明显且保持原有空间晶体结构不变的前提下，不引入羟基、羧基等官能团，以保持其疏水性。而目前已有的制备方法不能达到上述全部要求，无法制备出综合性能优异的高质量大面积的新型石墨烯单晶材料。石墨烯距离未来大规模应用还需克服许多难题。

技经观察 | 碳基半导体：中国芯片产业发展新机遇 技术篇( 六 )

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