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【DT半導(dǎo)體】獲悉，石墨烯憑借其單原子層蜂窩結(jié)構(gòu)，集合了多項(xiàng)突破性特性。在半導(dǎo)體領(lǐng)域主要基于其卓越的物理和化學(xué)特性，包括超高載流子遷移率、優(yōu)異的熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、高透明度以及可調(diào)諧的帶隙等，正在重塑半導(dǎo)體行業(yè)的未來(lái)！

2024年，天津大學(xué)旗下的天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國(guó)際研究中心的研究團(tuán)隊(duì)，攜手美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的研究人員成功研發(fā)出全球首個(gè)功能性石墨烯半導(dǎo)體，解決了困擾學(xué)界數(shù)十年的“帶隙”難題！通過(guò)在碳化硅晶圓上外延生長(zhǎng)石墨烯，并實(shí)現(xiàn)與碳化硅的化學(xué)鍵合，研究人員首次讓石墨烯表現(xiàn)出可控的半導(dǎo)體特性，其電子遷移率高達(dá)硅的10倍，運(yùn)算速度與能效顯著提升。這一突破不僅為硅基芯片的物理極限提供了替代方案，更可能推動(dòng)量子計(jì)算、高頻通信等領(lǐng)域的跨越式發(fā)展！

石墨烯帶隙調(diào)控：突破零帶隙限制

石墨烯的零帶隙特性是其應(yīng)用于數(shù)字邏輯電路的主要障礙。為了解決這一問(wèn)題，研究人員開發(fā)了多種帶隙調(diào)控方法：

石墨烯納米帶 (GNRs)

通過(guò)將石墨烯切割成納米帶，可以打破其對(duì)稱性，從而打開帶隙。理論研究表明，納米帶的寬度越窄，帶隙越大。實(shí)驗(yàn)證明，寬度小于10nm的石墨烯納米帶可以實(shí)現(xiàn)與硅、砷化鎵等傳統(tǒng)半導(dǎo)體相似的帶隙，并表現(xiàn)出良好的半導(dǎo)體特性。

電場(chǎng)調(diào)控

利用雙柵結(jié)構(gòu)在雙層石墨烯上施加可變電場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)0~250meV的可調(diào)帶隙。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于可以動(dòng)態(tài)調(diào)控帶隙，但實(shí)現(xiàn)難度較大，且對(duì)器件結(jié)構(gòu)要求較高。

化學(xué)摻雜

表面電荷轉(zhuǎn)移摻雜：將摻雜劑與石墨烯直接接觸，利用電荷轉(zhuǎn)移移動(dòng)費(fèi)米能級(jí)，形成n型或p型石墨烯。這種方法不會(huì)破壞晶格結(jié)構(gòu)，但未解決零禁帶問(wèn)題。

應(yīng)用場(chǎng)景

高頻晶體管石墨烯的超高載流子遷移率（室溫下>10? cm2/(V·s)）使其成為太赫茲（THz）級(jí)晶體管的理想材料。未來(lái)，GPU、CPU的運(yùn)算速度有望提升至硅基芯片的10倍，助力人工智能與超算技術(shù)突破。

光電器件與光電集成石墨烯的光吸收率約為2.3%（單層），幾乎透明，且其光學(xué)響應(yīng)可調(diào)諧至太赫茲范圍。結(jié)合高導(dǎo)電性，適用于光電器件。
三層菱形堆疊石墨烯的強(qiáng)電子-聲子相互作用，為光電調(diào)制器和芯片設(shè)計(jì)提供新思路。中國(guó)科學(xué)院物理研究所、國(guó)家納米科學(xué)中心等單位的科研人員通過(guò)研究三層石墨烯的菱形堆垛結(jié)構(gòu)取得了重要突破。他們發(fā)現(xiàn)，在菱形堆垛三層石墨烯中，電子和紅外聲子之間具有強(qiáng)相互作用，該發(fā)現(xiàn)有望應(yīng)用于光電調(diào)制器和光電芯片等領(lǐng)域。

散熱與熱管理石墨烯的導(dǎo)熱率（5300 W/(m·K)）遠(yuǎn)超銅，可制成超薄散熱膜或3D導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，解決高功率芯片的散熱難題。
鴻富誠(chéng)推出縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片，專為TIM1場(chǎng)景（裸芯片與散熱器界面）設(shè)計(jì)。相比于傳統(tǒng)材料，石墨烯導(dǎo)熱墊片沒(méi)有蠕變和泵出風(fēng)險(xiǎn)，高彈性貼合應(yīng)對(duì)大尺寸芯片翹曲問(wèn)題，熱界面規(guī)則完整，熱量傳導(dǎo)均勻無(wú)熱點(diǎn)。長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行不會(huì)變干，長(zhǎng)周期老化熱阻更穩(wěn)定。

石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的部分案例IBM的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管：IBM團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化基底材料，在金剛石碳（DLC）薄膜上制備的40nm柵長(zhǎng)石墨烯晶體管，實(shí)現(xiàn)了155GHz的截止頻率（fT）。該技術(shù)通過(guò)降低基底聲子散射，顯著提升了載流子遷移率，為太赫茲級(jí)通信器件奠定了基礎(chǔ)。

光電探測(cè)器：瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）開發(fā)的超寬帶石墨烯/氟化石墨烯（Gr）混合探測(cè)器，在無(wú)需外加偏壓時(shí)即可覆蓋紫外至中紅外光譜，穩(wěn)定工作壽命超過(guò)6個(gè)月。

中國(guó)中科院上海微系統(tǒng)所的石墨烯晶圓：中科院上海微系統(tǒng)所通過(guò)國(guó)家科技重大專項(xiàng)的支持，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量石墨烯晶圓的規(guī)?；a(chǎn)，并將其應(yīng)用于射頻探測(cè)器和光電探測(cè)模塊等電子器件中。

劍橋大學(xué)的Paragraf公司：Paragraf公司已經(jīng)開始大規(guī)模生產(chǎn)直徑達(dá)8英寸的石墨烯晶圓，并基于這些晶圓開發(fā)了用于射頻器件的電子器件。

美國(guó)特拉華大學(xué)的硅-石墨烯光子器件：特拉華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種硅-石墨烯光子器件，能夠在亞太赫茲帶寬下傳輸射頻波。這種器件結(jié)合了硅和石墨烯的優(yōu)勢(shì)，具有高速和高帶寬的特點(diǎn)，為石墨烯器件的應(yīng)用提供了新的方向。

智能手機(jī)散熱方案革新：華為2018年在Mate 20系列中首次采用石墨烯導(dǎo)熱膜，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)5,300 W/m·K，替代傳統(tǒng)人工石墨片，使芯片溫度降低5-8°C。2023年，小米旗艦機(jī)型通過(guò)VC均熱板與石墨烯膜組合，散熱效率提升40%

這些案例表明，石墨烯器件的商業(yè)化進(jìn)程正在逐步推進(jìn)，從實(shí)驗(yàn)室研究到實(shí)際應(yīng)用，涵蓋了從芯片到器件等多個(gè)領(lǐng)域。

行業(yè)革新！石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景