石墨烯成为新一代半导体的理想材料

【DT半导体】获悉，随着人工智能（AI）技术的进步，对半导体性能的提升需求不断增长，同时人们对降低半导体器件功耗的研究也日趋活跃，替代传统硅的新型半导体材料备受关注。石墨烯、过渡金属二硫化物（TMD）等二维材料因结构薄、电学性能优异成为新一代半导体的理想材料，但目前还缺乏高质量合成和工业应用的量产技术。

化学气相沉积法（CVD）存在诸如电性能下降以及需要将生长的TMD转移到不同衬底等问题，增加了工艺的复杂性。此外，在高度结晶的衬底上生长TMD的“外延”方法也需要转移过程，并且仅限于特定衬底。因此，基于高质量TMD 的先进3D集成技术的开发已成为现代半导体工业面临的关键挑战，进一步强调了对新型TMD合成方法的迫切需求。

为了解决这个问题，首尔大学联合三星电子开发了一种全新的生长方法：利用二维材料（例如石墨烯和六方氮化硼）作为模板，引导TMD晶体排列，从而能够在任何衬底上合成完美的单晶TMD薄膜。研究人员为这种方法起名为“Hypotaxy”。

Hypotaxy 技术的提出，为石墨烯半导体的发展提供了一条全新的路线。该方法利用石墨烯作为模板，引导 TMDs 在其下方有序排列并形成高质量的单晶薄膜。这一过程不仅可以在各种基板上直接生长高质量的石墨烯-TMDs 复合结构，还能避免传统CVD方法所需的材料转移步骤，从而提高制造工艺的简便性和器件的均匀性。此外，由于Hypotaxy 过程可在400°C的低温环境下进行，能够与现有的半导体制造工艺兼容，满足集成电路制造的要求。 Hypotaxy 技术结合了石墨烯和TMDs的优势，实现了高迁移率、高稳定性和低功耗的半导体材料体系。在这一体系中，石墨烯不仅充当了生长模板，还能有效提升TMDs的电子输运特性。通过在石墨烯上预先设计纳米孔结构，可以精确控制 TMDs 的生长区域，从而形成具有特定带隙和电子特性的纳米器件。

石墨烯在晶体管中的应用

石墨烯在晶体管领域的应用主要集中在高频电子器件和低功耗逻辑电路中。由于其极高的载流子迁移率，石墨烯场效应晶体管（GFET）在高频电子学中具有广泛的应用前景。例如，GFET 已在太赫兹（THz）探测器、射频放大器和高速光电探测器中取得了重要突破。此外，随着异质集成技术的发展，石墨烯与氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等宽禁带半导体结合的研究也备受关注，旨在提高高功率电子器件的性能。 在低功耗逻辑电路中，石墨烯的零带隙问题使其难以直接替代硅。然而，通过构建双层石墨烯并施加垂直电场，研究人员可以在不牺牲电子迁移率的情况下打开石墨烯的带隙，从而实现高效的场效应晶体管（FET）。此外，利用石墨烯的高导热性，未来的芯片可以采用石墨烯互连材料，以减少电子器件的热效应，提高整体计算性能。

石墨烯在光电子器件中的应用

光电子领域是石墨烯半导体最具潜力的应用方向之一。由于石墨烯的超宽带光吸收特性（涵盖从紫外到远红外的整个光谱范围）和超快光响应速度，基于石墨烯的光电探测器、激光器和太阳能电池已成为研究热点。

在光电探测器领域，石墨烯-硅异质结探测器能够在传统硅光子技术的基础上显著提高响应速度和光电转换效率。相比于传统硅光探测器，石墨烯光探测器能够在更广泛的光谱范围内工作，并具有更快的响应时间。因此，石墨烯在高速光通信、量子光学和生物成像领域的应用潜力巨大。

此外，石墨烯在光伏领域的应用也在不断拓展。研究表明，石墨烯可以作为透明电极材料，用于提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。与传统的氧化铟锡（ITO）相比，石墨烯具有更高的化学稳定性和机械柔性，使其成为下一代柔性光伏电池的理想选择。