全球首次！將引發半導體革命的石墨烯，中國科學家取得新突破

近日，中國科學家在《自然·通訊》（Nature Communications）上在線發表了題為「垂直結構的矽-石墨烯-鍺電晶體」（A vertical silicon-graphene-germanium transistor）的研究論文，這意味柘中國科學家首次製成了高速電晶體。

1945年秋天，貝爾實驗室成立了以肖克萊為首的半導體研究小組，成員有布拉頓、巴丁等人。他們經過一系列的實驗和觀察，逐步認識到半導體中電流放大效應產生的原因。在1950年，第一隻「PN結型電晶體」問世，今天的電晶體，大部分仍是這種PN結型電晶體。

PN結型電晶體的出現，開闢了電子器件的新紀元，引起了一場電子技術的革命。

1958 年，來自德州儀器（不是山東德州哈）的傑克·基爾比靈光一閃，能否利用單獨一片矽做出完整的電路，如此可把電路縮到極小。當時基爾比的想法遭到了所有同樣的笑話。幸好，德州儀器的老闆覺得基爾比的想法好像有實踐價值，就支持他的想法。

之前的電路還是分立元件構成，也就是在PCB（印刷電路板）把三極體、二極體焊接起來構成晶片，而基爾比卻嘗試在鍺半導體晶片上生成了三極體等多個元件，並在元件之間用細金屬連線連接，從而形成了集成電路。之前由分立元件構成的2500px²印刷電路板，在集成電路上只需要1mm²的晶片就可以實現相同的功能。

我們所說的集成電路指的是採用特定的製造工藝，把一個電路中所需的電晶體、電阻、電容和電感等元件及元件間的連線，集成製作在一小塊矽基半導體晶片上並封裝在一個腔殼內，成為具有所需功能的微型器件。

傑克·基爾比的發明為半導體時代的到來奠定了基礎，揭開二十世紀信息革命的序幕，時至今日，半導體工業大多數應用的還是基於矽的集成電路，我們稱之為矽晶片時代。

然而隨著計算機的發展，半導體製程的不斷突破，使得矽晶片的使用已經到達了物理極限，再加上矽材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，矽在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制，在高頻下工作性能較差，不適用於高壓應用場景，光學性能也得不到突破。

所以科學家一直想用新材料來代替矽，科學家認為，新材料的突破將對整個半導體行業進行大洗牌，終結整個以矽為核心的半導體時代，並且可能帶來第四次工業革命。（新材料、基因工程、量子科學、人工智慧、核聚變，科學界認為第四次工業革命將會在這五者之間誕生）

而石墨烯是一種二維晶體，由碳原子按照六邊形進行排布，相互連接，形成一個碳分子，其結構非常穩定；隨著所連接的碳原子數量不斷增多，這個二維的碳分子平面不斷擴大，分子也不斷變大。

單層石墨烯只有一個碳原子的厚度，即0.335納米，相當於一根頭髮的20萬分之一的厚度，1毫米厚的石墨中將將近有150萬層左右的石墨烯。

矽基的微計算機處理器在室溫條件下每秒鐘只能執行一定數量的操作，然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產生的熱量也非常少。此外，石墨烯本身就是一個良好的導熱體，可以很快地散發熱量。由於具有優異的性能，由石墨烯製造的電子產品運行的速度要快得多。

目前，矽器件的工作速度已達到千兆赫茲的範圍。而石墨烯器件製成的計算機的運行速度可達到太赫茲，即1千兆赫茲的1000倍。如果能進一步開發，其意義不言而喻。

太赫茲，實際上是一個頻率單位，1THz=1000GH，人們對太赫茲研究主要在0.1THz~10THz之間。正是因為其特殊性，讓其具有頻率高、脈衝短、穿透性強，且能量很小，對物質與人體的破壞較小等特質。太赫茲曾被評為「改變未來世界的十大技術」之一，科學家認為太赫茲擁有廣泛的應用前景。

目前已報道的石墨烯基區電晶體，普遍採用隧穿發射結，然而隧穿發射結的勢壘高度，嚴重限制了該電晶體作為高速電子器件的發展前景。

而瀋陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部科研人員首次製備出的以肖特基結作為發射結的垂直結構電晶體「矽-石墨烯-鍺電晶體」，實現了由單晶矽和單矽石墨烯構成的肖特基發射極，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。

圖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。

我們都知道，採用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體製作在同一塊半導體（通常是矽或鍺）基片上，在它們的交介面就形成空間電荷區稱為PN結，而肖特基結是一種簡單的金屬與半導體的交介面，它與PN結相似，具有非線性阻抗特性。

已報道的隧穿發射結相比，矽-石墨烯肖特基結表現出目前最大的開態電流（692 A cm-2 @ 5V）和最小的發射結電容（41 nF cm-2），從而得到最短的發射結充電時間（118 ps），使器件總延遲時間縮短了1000倍以上（128 ps），可將器件的截止頻率由約1.0 MHz提升至1.2 GHz。

矽-石墨烯發射結性能。a. 發射結IV曲線。 b. 漏電流和溫度的依賴關係。c. 與隧穿發射結的開態電流的對比。 d. 與隧穿發射結的共基極截止頻率的對比。

通過使用摻雜較重的鍺襯底（0.1 Ω cm），可實現共基極增益接近於1且功率增益大於1的電晶體。

矽-石墨烯-鍺電晶體性能。a-d. 使用輕摻雜Ge襯底時的矽-石墨烯發射結和石墨烯-鍺集電結IV曲線、輸入（Ie-Ve）和轉移（Ic-Ve）特性曲線、共基極增益α、輸出特性（Ic-Vc）曲線。e-h. 使用重摻雜Ge襯底時的相應曲線。

科研人員同時對器件的各種物理現象進行了分析。通過基於實驗數據的建模，科研人員發現該器件具備了工作於太赫茲領域的潛力，而這對於未來的電晶體研製具有十分重要的意義。。

考慮石墨烯量子電容效應時電晶體的能帶示意圖。a. 無偏壓。b. 發射結正偏。c. 集電結反偏。相關物理現象及應用研究介紹詳見論文補充材料。

可以說，這一研究工作提升了石墨烯基區電晶體的性能，未來將有望在太赫茲領域的高速器件中應用，為最終實現超高速電晶體奠定了基礎。

不過，這僅僅是第一步，未來還有許多工作要做，但是既然取得了第一步的突破，我們就有希望將終結矽晶片時代的機會抓在自己手裡，總而引領下一次半導體革命。