技經觀察 | 碳基半導體：中國晶片產業發展新機遇 技術篇

碳基半導體作為有可能繼承矽基半導體，成為未來電子信息產業重要基礎的新型半導體材料，其發展潛力值得科研和半導體從業人員對其進行深入挖掘。本文節選自《碳基半導體：中國晶片產業發展新機遇》報告，是碳基半導體系列的技術篇，對碳基半導體技術的研究進展進行了梳理並指出了其當前面臨的的難題。

一、碳基半導體技術進展

業界對碳基半導體關注由來已久，2010年前後美歐對碳基投入了更多的研發力量和資金支持。2009年，國際半導體技術發展路線圖委員會將碳基納米材料列入延續摩爾定律的未來集成電路技術選項。美國國家科學基金會2008年專門啟動了「超越摩爾定律的科學與工程」項目，用以資助矽技術可能替代者的研究，其中碳基納米電子學研究被視為重中之重。此外，已執行了十餘年的美國國家納米技術計劃，除了通過常規途徑繼續對碳納米材料和器件給予重點支持，還於2011年設立了「2020年後的納米電子學」研究專項，每年專項資金高達上億美元。歐盟同樣對碳基納電子技術進行了重點支持，其於2013年啟動「石墨烯旗艦計劃」，用以資助石墨烯及相關二維材料的研究，期望以此推動信息領域、通信領域的技術革命。各國對碳基技術的支持推動了相關技術研發進展，碳納米管和石墨烯研究均取得諸多成果。

1. 碳納米管

碳納米管是未來最有希望取代矽基材料的理想碳基半導體材料。IBM研究表明，10nm技術節點後碳納米管晶片在性能和功耗方面都將比矽晶片有明顯改善。從矽基7nm到5nm技術，晶片速度大約提升20%，而相比矽基7nm技術，碳納米管基7nm技術的晶片速度將提升300%。北京大學彭練矛團隊研究結果表明，在14nm技術節點碳納米管電晶體的速度和功耗均較矽基器件有10倍以上的優勢，進入10nm技術節點後這種優勢還將繼續加大。此外，半導體型碳納米管材料屬於直接帶隙半導體，所有能帶間的躍遷不需聲子輔助，是很好的紅外發光材料。理論分析表明，基於碳納米結構的電子器件可以有非常好的高頻響應，其工作頻率有望超過太赫茲，性能優於所有已知的半導體材料。

來源：彭練矛《碳基納電子材料與器件》

圖1-1 IBM關於未來矽基和碳納米管基場效應電晶體的性能比較

自1998年第一個碳納米管電晶體問世後，研究人員就開始探索碳納米管半導體器件應用的可能性。最初，國外研究團隊IBM、英特爾採用半導體主流CMOS技術——摻雜工藝製備高性能碳納米電晶體，然而製備出的碳納米管電晶體性能遠低於矽基電晶體。2005年，英特爾對所有納米電晶體進行了定量比較，研究結果表明，雖然碳納米管基器件p型電晶體的性能遠優於相應的矽基器件，但其n型電晶體的性能則遠遜於相同尺寸的矽基器件。集成電路的發展要求性能匹配的p型和n型電晶體。n型碳納米管電晶體性能的落後嚴重製約了碳納米管電子學的發展，發展穩定高性能的n型碳納米管器件成了2005年之後碳納米管集成電路研究領域最重要的課題之一。我國研究人員通過多年努力，在該領域實現了突破。2007年，北京大學彭練矛團隊在高性能碳納米管場效應電晶體製備方面，發現利用金屬鈧（Sc）和釔（Y）可以與碳納米管的導帶形成理想歐姆接觸，製備出高性能彈道n型碳納米管場效應電晶體，器件性能接近理論極限。

來源：半導體行業觀察

圖1-2 5nm柵長碳納米電晶體

2008年，彭練矛團隊突破了n型碳納米管制備這一跨世紀難題，創造性地研發出一整套高性能碳納米管電晶體的無摻雜製備方法，並在2017年首次製備出柵長5nm的電晶體，同時證明了碳納米電晶體可以在達到理論極限時克服短溝道效應，也就是可以用一個簡單的平面工藝一直走到物理極限，無需像矽技術那樣發展更複雜的三維電晶體技術以降低短溝道效應。2018年，該團隊再次突破了傳統的理論極限，發展出新原理的超低功耗的狄拉克源電晶體；同年，團隊用高性能的電晶體製備出集成電路，最高速度達到5×103MHz，不僅躋身與史丹福大學、麻省理工學院等研究機構同步的國際領跑行列，而且在最關鍵的核心技術上是世界領先的。2020年，彭練矛、張志勇團隊突破了半導體碳納米管關鍵的材料瓶頸，且製備出的器件和電路在真實電子學表現上首次超過了矽基產品，這意味著碳基集成電路已經初步具備工業化基礎。

美國在碳納米管上的研究以麻省理工學院最具代表性。2019年，麻省理工學院馬克斯·舒拉克團隊開發出全球首款碳納米管通用計算晶片RV16X-NANO。該微處理器晶片基於RISC-V指令集，在16位數據和地址上運行標準32位指令，所具有的電晶體數量超過1.4萬個，並採用行業標準流程和工藝進行設計和製造，可執行指令獲取、解碼、寄存器、執行單元和寫回存儲器等功能。2020年6月，舒拉克團隊在《自然·電子學》雜誌發表了題為《在商用矽製造設施中製造碳納米管場效應電晶體》的論文，證實碳納米管場效應電晶體已接近商業化應用。在該研究中，舒拉克團隊開發出「乾式循環」和「人工濃縮」兩種方法來優化製造過程，將碳納米管電晶體的製造速率提升了1100倍，同時降低了生產成本。利用該技術創新，研究人員可在200mm晶圓上快速製備大量的碳納米管場效應電晶體。此外，研究人員還證實，碳納米電晶體還可以在室溫下進行堆疊製造，從而製成多層晶片；而傳統的矽電晶體需要在450-500℃的高溫下製造，無法進行堆疊製造。該論文涉及的生產製造工作是在商業矽基生產線上進行的，表明碳納米管集成電路已具備較大的量產可能性。

2.石墨烯

在集成電路領域，當前二維矽基集成電路發展最為成熟，但近年來隨著集成電路集成度不斷提高，晶片上的器件單元數量急劇增加，晶片面積增大。單元間連線的增長既影響電路工作速度又佔用很多面積，嚴重影響集成電路進一步提高集成度和工作速度，且集成電路面積單純的二維縮小已經達到摩爾極限。因此，研究人員開始重視集成電路縱向三維發展。但是，三維集成電路存在散熱、電路串擾及製造工藝等問題。石墨烯電子遷移率高、導熱性好，這使其既可獲得很高的信號傳輸速度，又能在較低溫度和高頻下進行工作。因此，石墨烯成為一種非常理想的集成電路材料。石墨烯納米帶的二維晶格結構具有高導電率、高導熱率和低噪聲，這些性能可使其取代銅等金屬線連接成為連接材料。

來源：網絡公開資料

圖1-3 三維碳基電子示意圖

2013年，美國加州大學聖巴巴拉分校研究人員利用石墨烯優異的熱導性能以及電學性能，提出一種新型多層石墨烯納米束填充矽晶孔洞的三維集成電路。通過研究發現，多層石墨烯納米束的傳熱以及配電性能優於銅和碳納米管。此外，石墨烯的高電子遷移率、導熱係數，使其散熱性能非常好，這可以很好地解決當前隨著集成電路器件集成度不斷提高，晶片工作產生的熱量不容易散出去的問題。2014年，中國華南師範大學物理與電信工程學院研究人員在三維晶片中增加了一個石墨烯層以解決散熱問題。試驗結果表明，加入石墨烯導熱層後，峰值溫度有了較好的改善，石墨烯層能夠提供良好的散熱通道，將熱量快速分散開。同年，美國高斯公司申請製備具有石墨烯屏蔽效應的三維集成電路的專利。石墨烯層作為三維集成電路相鄰層級或者相鄰層之間的電磁幹擾屏蔽體，可減少在層級之間的串擾，同時向周圍傳遞熱量。

2019年，中國科學院上海微系統與信息技術研究所謝曉明團隊首次在較低溫度條件下採用化學氣相沉積外延成功製備6英寸無褶皺高質量石墨烯單晶晶圓，成功將外延生長石墨烯單晶的生長溫度從1000℃成功降低到750℃。石墨烯單晶晶圓的批量化製備是石墨烯在電子學領域規模化應用的前提，低溫外延製備晶圓級石墨烯單晶對於推動石墨烯在電子學領域的應用具有重要意義。

來源：網絡公開資料

圖1-4 石墨烯單晶晶圓生長設計及實驗過程

2019年，北京大學劉忠範院士與彭海琳教授聯合團隊循著外延襯底製備-石墨烯外延生長這一研究思路，首先製備了4英寸CuNi銅鎳合金單晶薄膜，並以其為生長基底實現了4英寸石墨烯單晶晶圓的超快速製備。同時，該團隊研發了石墨烯單晶晶圓批量製備裝備，實現了單批次25片4英寸石墨烯單晶晶圓的製備，設備年產能可達1萬片，在世界範圍內率先實現了石墨烯單晶晶圓的可規模化製備。

在半導體電晶體領域，相比於矽電晶體，石墨烯電晶體優勢在於其電晶體晶格高度穩定，即使在單碳原子厚度下還能穩定工作，而矽材料電晶體在10nm以下便會失去穩定性。薄且十分穩定的石墨烯電晶體不僅有助於電子元件向小型化發展，同時也允許其在極端溫度條件下工作。此外，石墨烯的載流子移動極快，對外場的反應也極快，所以石墨烯電晶體可在很高頻率下穩定工作。美國IBM公司研究人員曾對石墨烯電晶體進行模擬仿真實驗。實驗結果表明，當石墨烯電晶體的柵極尺寸為150nm時，頻率可高達26GHz，而當這一尺寸縮小為50nm時，其頻率將突破1THz，這一數據遠高於現有的矽基電晶體。2011年，IBM製備出具有155GHz超高截止頻率的新一代石墨烯電晶體，其具有40nm的選通脈衝寬度。當前研究成果表明，石墨烯電晶體的頻率性能已超過相同柵極長度的最先進矽電晶體的截止頻率（40GHz），但在電晶體製備上，石墨烯電晶體性能仍遜於碳納米管電晶體。未來，石墨烯有望在三維集成電路、優化散熱和更小尺寸晶片等方向發揮重要作用。

來源：網絡公開資料

圖1-5 IBM石墨烯電晶體

二、碳基半導體技術取得很大進步，但整體研究水平距矽基仍有很大差距

通過對近年來矽電晶體和碳基電晶體相關文獻和專利的情況進行統計，將文獻數量、被引用情況、學科分布等數據按照年份和國別兩個維度進行對比發現：

在文獻方面，碳基半導體的研究發展起步較晚，核心文獻數量遠不及矽基半導體，且矽基半導體還處於發展階段，研究熱度仍有可能持續上漲；美國、中國、韓國、日本和印度均在矽基和碳基半導體領域具有較多的研究成果，碳基半導體研究呈穩步發展勢頭。（圖中CNFET指碳納米管場效應電晶體）

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-1 2011-2020年全球碳矽半導體核心文獻數量對比

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-2 2000-2020年各國碳矽半導體核心文獻數量

在專利方面，碳基半導體專利數量少，商業化程度較差，專利權人多為美國和中國的個人或機構；矽基半導體專利數量多，且商業化較為成熟，主要集中於日本、美國和臺灣地區。

來源：Derwent Innovation（檢索時間：2020.08）

圖2-3 2011-2020年碳矽半導體專利數量逐年對比

1. 矽基電晶體文獻情況分析

使用檢索式「TI=(MOSFET or FinFET)」在WOS（Web of Science）核心資料庫中對2000-2020年的核心期刊文獻進行搜索，共得到4256條文獻結果。

按出版年份對文獻進行歸類，可發現：自2001年起，矽基半導體文獻數量穩步增長，自2015年起增長速度加快，到2019年時達到395篇，表明矽基半導體研究熱度仍在不斷增長。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-4 矽基半導體文獻數量按年份分布圖表

按研究方向對文獻進行分類排序，可以得知，矽基半導體電晶體研究主要涉及的方向主要為：工程學（Engineering）、物理學（Physics）、其他科技主題（Science Technology Other Topics）、材料科學（Materials Science）、計算機科學（Computer Science）、光學（Optics）、化學（Chemistry）等。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-5 矽基半導體主要研究方向

按文獻數量對國別進行排序，發表核心期刊論文最多的前5個國家分別為：美國（851篇）、印度（809篇）、中國（553篇）、日本（386篇）、韓國（369篇）。美國和印度作者發布的文獻數量相差不大。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-6 矽基半導體核心文獻國別分布

按發表文章數量對作者進行排序，發表矽基半導體相關論文最多的5人分別是印度Maharaja Agrasen技術學院的R.S.古普塔（R.S.Gupta）（93篇）、印度德裡大學的M·古普塔（M·Gupta）（77篇）、韓國嶺南大學的李鍾鎬（55篇）、印度德裡大學的曼努吉·薩克塞納（Manoj Saxena）（50篇）和印度理工大學的蘇南多·達斯古普塔（Sunando Dasgupta）（49篇）。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-7 矽基半導體核心文獻作者發文數對比

2. 碳基電晶體研究情況分析

（1）碳納米管場效應電晶體

使用檢索式「TI=((CNT transistor) or (CNT FET) or CNTFET or CNFET or (carbon nanotube transistor) or (carbon nanotube FET))」在WOS核心資料庫中對2000-2020年的核心期刊文獻進行主題搜索，共得到1710條文獻結果。

按出版年份對文獻進行歸類，可發現：自2001年起，碳納米管場效應電晶體研究熱度總體呈上升趨勢，單年發表文獻數量在2019年達到129篇。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-8 CNFET文獻數量按年份分布圖表

按研究方向對文獻進行分類排序，可以得知，碳納米管場效應電晶體研究主要涉及的研究方向為：物理（Physics）、材料科學（Materials Science）、其他科技主題（Science Technology Other Topics）、化學（Chemistry）、工程（Engineering）、計算機科學（Computer Science）等。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-9 CNFET主要研究方向

對文獻關鍵詞進行聚類分析，頻率最高的關鍵詞分別為：碳納米管場效應電晶體、緊湊仿真電路模擬器模型（Compact SPICE Model）、場效應電晶體（Field Effect Transistor）、設計（Design）、電路（Circuit）以及納電子（Nanoelectronics）。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-10 共詞網絡圖

按文獻數量對國別進行排序，發表核心期刊論文最多的前5個國家分別為：美國（504篇）、韓國（233篇）、日本（209篇）、中國（206篇）和伊朗（106篇）。可以看出，美國在碳納米管場效應電晶體研究方面具有較大的優勢。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-11 CNFET核心文獻國別分布

按發表文章數量對作者進行排序，發表「CNFET」主題相關論文最多的5人分別是日本德島大學的大野安秀（61篇）、日本名古屋大學的松本海成（45篇）、北京大學的彭練矛（38篇）、日本名古屋大學的水谷隆（34篇）和日本名古屋大學的岸本茂（32篇）。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-12 CNFET核心文獻作者發文數對比

對文章引用情況進行分析，可發現，鄧傑（史丹福大學電氣工程系）和馬克斯·舒拉克（麻省理工學院電氣工程與計算機科學系）是碳納米管場效應電晶體領域重要作者，文章被引次數最多。可視化圖像中代表鄧傑的圓圈面積最大，說明鄧傑的被引量最高，與鄧傑相關聯的連線偏紫色，表明鄧傑是較為早期的作者；與舒拉克相關聯的連線偏黃色，表明舒拉克的研究成果較新。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-13 CNFET核心文獻被引網絡圖

自2000年以來，碳納米管場效應電晶體相關文獻的被引次數逐年增長，在2019年達到巔峰（4304次，見圖2-14），表明對碳納米管場效應電晶體的研究熱度在逐年提高。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-14 CNFET核心論文被引頻次圖

（2）石墨烯場效應電晶體

使用檢索式「TI=((graphene transistor) or (graphene FET))」在WOS核心資料庫中對2000-2020年的核心期刊文獻進行主題搜索，共得到1651條文獻結果。

按出版年份對文獻進行歸類，可發現：石墨烯場效應電晶體相關的文獻在2006年才首次出現，此後，石墨烯場效應電晶體研究熱度逐年上升，在2015年達到頂峰，該年相關主題核心文獻共187篇。但在此之後，石墨烯場效應電晶體的核心文獻發表數量略有下滑。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-15 石墨烯場效應電晶體文獻數量按年分布圖表

按涉及學科對文獻進行分類排序，可以得知，石墨烯場效應電晶體研究主要涉及的學科為：物理（Physics）、材料科學（Materials Science）、其他科技主題（Science Technology Other Topics）、化學（Chemistry）、工程（Engineering）、電化學（Electrochemistry）等。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-16 石墨烯場效應電晶體主要研究方向

按文獻數量對國別進行排序，發表核心期刊論文最多的前5個國家分別為：美國（424篇）、中國（352篇）、韓國（281篇）、日本（140篇）和德國（110篇）。可以看出，美國在石墨烯場效應電晶體方面的研究成果較多，但中國與之差距不大。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-17 石墨烯場效應電晶體核心文獻國別分布

對文章引用情況進行分析，可發現德國伊爾默瑙工業大學教授弗蘭克·施維茲（Frank Schwierz）和IBM沃森研究中心研究員林玉明是石墨烯場效應電晶體領域的重要作者，文章被引次數最多。被引網絡圖中代表施維茲的圓圈面積最大，其文獻的被引量最高。相關文獻為施維茲在2020年發表在《自然》雜誌的《石墨烯電晶體》（Graphene transistors）一文。該文獻對石墨烯電子器件的研究情況進行了梳理與展望。截至2020年7月17日，該論文被引次數達3622次。林玉明的主要貢獻是在IBM工作期間參與開發了第一個超過100GHz的石墨烯電晶體和第一個石墨烯集成電路。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-18 石墨烯電晶體核心文獻被引網絡圖

自2006年以來，石墨烯電晶體相關文獻的被引次數逐年增長，在2017年達到巔峰（7543次，見圖2-19），表明對石墨烯電晶體的研究熱度總體上在逐年提高。

來源：Web of Science（檢索時間：2020.08）

圖2-19 石墨烯電晶體核心文獻被引頻次圖

3. 矽基與碳基半導體專利情況分析

在德溫特創新索引資料庫中通過檢索式「『MOSFET』or『FinFET』」對1963-2020年的全球矽基半導體相關專利進行檢索，共得到58910條同族專利記錄。其中所涉及專利的學科類別主要為工程、儀器儀表、電化學、化學、材料科學、能源燃料、計算機科學、通信等。主要專利權人有：IBM（2712條）、臺積電（2676條）、東芝公司（2409條）、日立公司（1815條）、NEC公司（1637條）、富士電子（1103條）、三菱公司（1051條）、格芯（982條）、電裝集團（897條）。大多數專利集中於日本公司、美國公司和中國臺灣臺積電公司。矽基半導體涉及專利數量較多，表明矽基半導體發展較為成熟，商業化程度較高。

來源：Derwent Innovation（檢索時間：2020.08）

圖2-20 全球矽基半導體主要專利權人

相比之下，碳基半導體的研究進展和商業化程度仍處於初級階段，相關專利較少。通過關鍵詞「CNFET」對1963-2020年的全球碳納米管場效應電晶體相關專利進行檢索，僅有35條同族專利，涉及學科類別為工程、儀器儀表、化學、電化學、材料科學等。主要專利權人為：寧波大學（21條）、美國麻省理工學院（4條）、馬克斯·舒拉克（4條）等。其中，寧波大學的專利主要關於碳納米管場效應電晶體存儲器和電路設計。

通過關鍵詞「Graphene+FET」對1963-2020年的全球石墨烯場效應電晶體相關專利進行檢索，共得到104條同族專利，涉及學科類別為工程、儀器儀表、化學、電化學、材料科學等。主要專利權人為：IBM公司（15條）、諾基亞公司（9條）、中科院微電子研究所（5條）和德州儀器公司（4條）等。石墨烯電晶體專利更多涉及射頻電子電路中的應用。

三、碳基半導體技術發展面臨的難題

1. 碳納米管技術難題

（1）製備問題

碳基半導體需要的是半導體型的碳納米管，金屬型碳納米管相當於雜質，會造成短路幹擾電路運行。但在碳納米管制備過程中金屬型與半導體型共生，剔除金屬型碳納米管，儘可能提高碳納米管的半導體純度是一大技術難題。碳納米管集成電路批量化製備的前提就是超高半導體純度、順排、高密度、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜。2013年，美國杜克大學在《自然》期刊上發表的一篇評述性文章提出，半導體純度超過99.9999%（「6個9」）、密度達到100-200每微米，取向角＜9°，才可實現大規模高性能集成電路。而且要將數量眾多的碳納米管塞進指甲蓋大小的晶片就必須精確地控制好各個碳納米管之間的距離，這就要求精度極高的陣列控制。長期以來，學術界發展了多種製備、提純、排列碳納米管的方法，但是始終無法接近這實用化區域。這使得碳納米管電晶體和電路的實際性能遠低於理論預期，甚至落後於相同技術節點的矽基技術至少一個量級。

直到2020年，北京大學彭練矛團隊採用多次聚合物分散和提純技術得到超高純度碳納米管溶液，提出結合維度限制自排列法在4寸晶圓上製備出了密度120/μm、半導體純度高達99.99995%、直徑分布1.45±0.23nm的碳納米管陣列，才算攻克碳納米管材料製備難題，理論上達到了超大規模碳納米管集成電路的需求，但距離其大規模應用還存在諸多挑戰。例如，要實現碳納米管陣列薄膜的大規模均勻定向排布，需要將每微米間的碳納米管數量控制在125-200個。要實現碳納米管的大規模生產，碳納米管晶圓的面積也要足夠大，現階段能製作8英寸晶圓，但未來需要更大尺寸才能滿足需求，而且尺寸增大的同時必須保證碳納米管排列取向單一，在技術實現上有很大挑戰。

（2）材料與性能問題

除製備外，碳納米管還面臨兩個方面問題的困擾。

一是可靠性較差。碳納米管暴露於空氣後會在幾天內降解，且在高能電場下進行操作時，碳納米管場效應電晶體會發生雪崩擊穿現象，這些性質會影響碳納米管的實際應用。目前，研究人員發現，可通過多通道結構提高碳納米管場效應電晶體的穩定性，使其在幾個月後依然保持穩定的性能。

二是現有性能不足。以麻省理工學院2019年發布的全球首款碳納米管通用計算晶片RV16X-NANO為例，雖然該晶片的規模與英特爾1985年發布的80386晶片相當，但其在運行頻率上和80386晶片仍有不小差距。80386的運行頻率為16MHz，而碳納米管晶片的最大頻率僅為1.19MHz。造成這種差異的原因在於電子元件的電容以及電晶體可以承載的電流量較為有限。矽電晶體每微米寬度可承載大約1毫安的電流（1mA/μm），而碳納米管電晶體每微米寬度只能承載約6微安的電流（6μA/μm）。

2. 石墨烯技術難題

（1）帶隙問題

半導體由其帶隙所定義，帶隙指的是激發一個電子，使其從不能導電的價帶躍遷到可以導電的導帶所需要的能量。石墨烯作為電晶體應用時，帶隙必須足夠大，才能使電晶體開和關之間的狀態對比明顯，從而準確無誤地處理信息。然而，常規的大片石墨烯是一種零帶隙材料，在費米能級處其電導率不會像一般半導體一樣降為零，而是達到一個最小值，以此作為溝道的電晶體很難被關斷，進而限制石墨烯應用於電晶體。因此，如何產生禁帶以實現高的開關比是石墨烯電晶體研究重點。根據文獻報導，當前產生禁帶方法包括直接產生禁帶法和間接產生禁帶法。

直接產生禁帶方面，研究表明，當構造的石墨烯納米帶寬度小於10nm時，可利用納米石墨烯的量子效應和邊緣效應來有效地打開能帶帶隙，從而使其產生半導體性質。2008年，英國研究人員製備出僅一個原子厚幾納米寬的石墨烯量子點器件。在這種尺度下，石墨烯存在約0.5eV的禁帶寬度，且器件仍然能保持較好的導電性。間接產生禁帶方面，主要是通過引入具有非零禁帶的物質作為勢壘產生禁帶，在石墨烯表面和邊界上構造異質結，形成異質結電晶體。2019年，中國科學院金屬研究所提出一種石墨烯基異質結電晶體，其中石墨烯夾在矽層之間。研究人員製備出一種垂直結構的矽-石墨烯-鍺電晶體，成功將石墨烯基區電晶體的延遲時間縮短了1000倍以上，並將其截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲領域。該電晶體為超高速運行器件的發展奠定了重要基礎。當前，雖然研究人員通過各種方法產生禁帶，但效果未達到預期，石墨烯帶隙僅能達到360meV，開關電流比限制在了103（石墨烯納米帶開關電流比可達到105），遠遠小於需要的106。由此可見，石墨烯真正實現規模化應用還需進行更深入的研究。

來源：孫東明《垂直結構的矽-石墨烯-鍺電晶體》

圖3-1 矽-石墨烯-鍺電晶體的設計和製備

a.器件的製備流程 b-d.器件的光學、SEM和截面示意圖 e.器件原理示意圖

（2）製備問題

石墨烯除帶隙問題外，其製備問題也一定程度上限制了在半導體領域的應用。製備出高質量石墨烯薄膜是石墨烯成功應用於半導體領域的關鍵。目前，應用較為廣泛的石墨烯製備方法主要有：微機械剝離法、化學氧化-還原法、化學氣相沉積法（CVD）和外延生長法等。微機械剝離法製備的石墨烯完整度較高，但是操作複雜，可控性低，成本較高且效率低下，實際生產中很少被採用；化學氧化-還原法操作簡單，可以製備大規模石墨烯，被廣泛用於石墨烯複合材料製備，但氧化石墨烯表面的含氧官能團不能完全被還原，易出現結構缺陷，空洞等破壞石墨烯共軛大π鍵，影響石墨烯的導電性能；化學氣相沉積法製備的石墨烯完整度很高，在精細加工領域，比如集成電路方面，可以充分發揮其優勢，但由於其在金屬層上沉積，需要腐蝕掉金屬層才能得到石墨烯，成本較高；外延生長法得到的石墨烯，難轉移、不能精確控制石墨烯厚度，很難得到大尺寸、高均勻性的石墨烯，原料碳化矽又十分昂貴，不適合一次性製得大量的石墨烯。

對半導體領域而言，目前製備石墨烯單晶主要有兩種途徑：一種是以單點形核控制來製備石墨烯單晶；另一種是表面外延生長取向一致的石墨烯晶疇，最後以無縫拼接的方法來製備石墨烯單晶，外延生長製備石墨烯單晶主要採用銅單晶或者鍺作為襯底。然而，這兩種途徑中石墨烯單晶晶圓的生長一般需要在1000℃或更高溫度下。在此溫度下，容易產生褶皺、汙染，導致石墨烯性能降低。

理想的石墨烯製備方法是工藝簡單、可控性強、成本低廉、效果明顯且保持原有空間晶體結構不變的前提下，不引入羥基、羧基等官能團，以保持其疏水性。而目前已有的製備方法不能達到上述全部要求，無法製備出綜合性能優異的高質量大面積的新型石墨烯單晶材料。石墨烯距離未來大規模應用還需克服許多難題。

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作者簡介

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作者丨 李鵬飛 張宇 武志星 唐乾琛

編輯丨 劉瑾

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