由于石墨烯本身缺乏本征帶隙，半導(dǎo)體石墨烯（Semiconducting Epigraphene, SEG）在石墨烯納米電子學(xué)中扮演著關(guān)鍵角色。過去二十年中，通過量子限域或化學(xué)功能化調(diào)控帶隙的嘗試均未能制備出實(shí)用的半導(dǎo)體石墨烯。
本文展示了一種在單晶碳化硅（SiC）襯底上制備的半導(dǎo)體外延石墨烯（SEG），其特性包括：
· 帶隙：0.6 eV
· 室溫遷移率：超過 5,000 cm² V?¹ s?¹（是硅的10倍，其他二維半導(dǎo)體材料的20倍）
當(dāng)硅從碳化硅晶體表面蒸發(fā)時(shí)，富碳表面會(huì)結(jié)晶形成多層石墨烯。在SiC的硅終止面上，首層石墨烯（緩沖層）與襯底通過部分共價(jià)鍵結(jié)合，具有絕緣性。盡管光譜測(cè)量顯示該緩沖層具有半導(dǎo)體特征，但其遷移率因無序性受限。
本研究通過準(zhǔn)平衡退火工藝，在宏觀原子級(jí)平坦臺(tái)階上制備出有序的SEG緩沖層，其特點(diǎn)包括：
結(jié)構(gòu)對(duì)齊：SEG晶格與SiC襯底嚴(yán)格對(duì)齊。
穩(wěn)定性：具備化學(xué)、機(jī)械和熱學(xué)魯棒性。
可加工性：可通過傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝圖案化，并能與半金屬外延石墨烯無縫連接。
這些特性使SEG成為納米電子學(xué)的理想材料平臺(tái)。
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圖1 | SEG制備方法
a. CCS（限制控制升華）爐示意圖：
· 結(jié)構(gòu)：石英管內(nèi)放置封閉圓柱形石墨坩堝，內(nèi)含兩片3.5 mm × 4.5 mm的SiC芯片。
· 加熱方式：通過射頻源線圈感應(yīng)產(chǎn)生渦流加熱。
· 關(guān)鍵設(shè)計(jì)：坩堝設(shè)有泄漏口，用于控制硅逃逸速率。
b. 芯片堆疊配置：
· 底部芯片（源）：碳終止面（C面）朝上。
· 頂部芯片（種子）：硅終止面（Si面）朝下。
· 高溫效應(yīng)：兩芯片間微小溫差（約10°C）引發(fā)質(zhì)量流動(dòng)，促使Si面形成大面積原子級(jí)平坦臺(tái)階，SEG薄膜在其上均勻生長(zhǎng)。
c. 三階段生長(zhǎng)流程：
1、階段I（表面清潔）：
· 溫度：900°C真空環(huán)境。
· 時(shí)間：25分鐘。
· 作用：去除表面污染物。
2、階段II（臺(tái)階陣列形成）：
· 溫度：1,300°C，1 bar氬氣環(huán)境。
· 結(jié)果：生成雙層SiC臺(tái)階和約0.2 µm寬的臺(tái)面。
3、階段III（SEG生長(zhǎng)）：
· 溫度：1,600°C，1 bar氬氣。
· 機(jī)制：臺(tái)階聚并（step bunching）和流動(dòng)（step flow）形成原子級(jí)平坦的(0001)晶面，SEG緩沖層在C面與Si面準(zhǔn)平衡條件下生長(zhǎng)。
· 穩(wěn)定性：SEG覆蓋的(0001)晶面具有極高熱力學(xué)穩(wěn)定性。
技術(shù)解析
1、準(zhǔn)平衡退火創(chuàng)新：
· 傳統(tǒng)CCS法因硅持續(xù)流失導(dǎo)致無序，而本方法通過C面與Si面的質(zhì)量交換實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡，顯著提升SEG有序性。
· 2、臺(tái)階工程：
· 臺(tái)階聚并形成大尺寸平坦區(qū)域（最大達(dá)0.5 mm × 0.3 mm），為高遷移率SEG提供理想基底。
· 3、溫度梯度控制：
· 微小溫差（ΔT≈10°C）是質(zhì)量傳輸和臺(tái)階流動(dòng)的關(guān)鍵，需通過坩堝設(shè)計(jì)精確調(diào)控。
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圖2 | SEG表征結(jié)果
圖2展示了高覆蓋率、有序排列且無石墨烯混雜的半導(dǎo)體外延石墨烯（SEG）的表征結(jié)果，其具有明確的帶隙。
a. 3.5 mm × 4.5 mm晶圓的復(fù)合電子顯微鏡圖像：
· 對(duì)比設(shè)置：掃描電鏡（SEM）調(diào)整至SiC（白色區(qū)域）與SEG（灰色區(qū)域）高對(duì)比度模式。
· 覆蓋率：約80%表面被SEG覆蓋，石墨烯若存在會(huì)顯示為暗斑（圖中黑點(diǎn)為灰塵）。
· 最大平坦區(qū)域：約0.5 mm × 0.3 mm的無臺(tái)階區(qū)域。
b. 低溫原子分辨率STM圖像：
· 結(jié)構(gòu)特征：SEG呈現(xiàn)石墨烯蜂窩晶格（綠色），疊加(6×6)SiC超周期結(jié)構(gòu)（紅色菱形和紫色六邊形），對(duì)應(yīng)因部分共價(jià)鍵合導(dǎo)致的100 pm高度調(diào)制。
c. LEED衍射圖譜：
· 特征：顯示6√3 × 6√3 R30°衍射花樣，證實(shí)SEG晶格與SiC襯底原子對(duì)齊，且無傳統(tǒng)方法中常見的石墨烯痕跡。
d. 拉曼映射（50 µm × 50 µm，分辨率1 µm）：
· 指標(biāo)：測(cè)量2,680 cm?¹和1,620 cm?¹處的I2D/IG強(qiáng)度比（石墨烯典型值≈2）。紅色箭頭指向圖譜中最大比值位置，證實(shí)表面無石墨烯。
e. 低溫STS能譜：
· 帶隙：顯示0.6 eV帶隙（藍(lán)線），與計(jì)算態(tài)密度（DOS，紅色虛線）吻合，帶隙內(nèi)無雜質(zhì)態(tài)信號(hào)。
· 標(biāo)注：a.u.為任意單位；比例尺：1 nm（b）、10 µm（d）。
解析
技術(shù)亮點(diǎn)
· 多尺度表征：結(jié)合SEM（宏觀覆蓋）、STM（原子級(jí)結(jié)構(gòu)）、LEED（晶體對(duì)齊）和拉曼（化學(xué)組成），全面驗(yàn)證SEG的有序性與純度。
· 帶隙確認(rèn)：STS直接測(cè)量0.6 eV帶隙，填補(bǔ)石墨烯本征無帶隙的空白，為納米電子學(xué)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)
· 超周期結(jié)構(gòu)：(6×6)SiC調(diào)制反映SEG與襯底的強(qiáng)相互作用，解釋其高穩(wěn)定性（圖2b）。
· 無石墨烯污染：拉曼與LEED雙重驗(yàn)證（圖2c,d），排除傳統(tǒng)緩沖層制備中的常見問題。
應(yīng)用意義
· 器件兼容性：大面積均勻覆蓋（80%）和原子級(jí)平坦區(qū)域（0.5 mm × 0.3 mm）滿足集成電路工藝需求。
· 低缺陷密度：STS顯示帶隙內(nèi)無雜質(zhì)態(tài)（圖2e），預(yù)示高遷移率器件潛力。
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圖3 | 氧涂層SEG霍爾棒的輸運(yùn)特性
a. 電導(dǎo)率與溫度關(guān)系
電導(dǎo)率隨溫度升高而增大，歸因于表面物理吸附的單層氧電離度增加1。
b. 電荷密度與溫度關(guān)系
電荷密度隨溫度升高呈上升趨勢(shì)1。
c. 電荷密度的阿倫尼烏斯曲線
電荷密度對(duì)倒數(shù)溫度的曲線呈現(xiàn)均勻斜率，對(duì)應(yīng)物理吸附氧熱電離的活化能為120 meV1。線性外推得到單層氧密度極限值（1500 × 10¹² cm?²，紅色大圓點(diǎn)）。樣品3的低溫斜率降低，表明其表面殘留60%光刻膠（活化能10 meV）。
d. 霍爾遷移率變化
遷移率隨溫度顯著上升（2–5500 cm² V?¹ s?¹）。
e. 熱致電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制
電子（紅點(diǎn)）從SEG向氧單層轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致SEG空穴摻雜（綠點(diǎn)）。
f. 輸運(yùn)機(jī)制轉(zhuǎn)變
低溫下：費(fèi)米能級(jí)（E<sub>F1</sub>）位于帶隙，電荷通過局域態(tài)跳躍輸運(yùn)，遷移率低。
高溫下：電荷密度增加使費(fèi)米能級(jí)升至導(dǎo)帶邊（E<sub>C</sub>），轉(zhuǎn)變?yōu)楦哌w移率能帶輸運(yùn)。
樣品參數(shù)對(duì)比：
· 樣品4：缺陷密度0.27 × 10¹¹ cm?²
· 樣品3：缺陷密度4.3 × 10¹² cm?²（含光刻膠殘留）
· 樣品2：缺陷密度17 × 10¹² cm?²。
解析
1. 核心機(jī)制
· 氧電離主導(dǎo)電導(dǎo)：溫度升高增強(qiáng)氧原子電離，釋放空穴提升SEG電導(dǎo)率（圖a,e）。
· 雙輸運(yùn)模式：低溫局域態(tài)跳躍（低遷移率）與高溫能帶輸運(yùn)（高遷移率）的轉(zhuǎn)變（圖f）。
2. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)解讀
· 活化能差異：
· 純凈氧層：120 meV（圖c）
· 光刻膠污染：10 meV（樣品3）
· 缺陷密度影響：缺陷密度越低（如樣品4），低溫向高溫輸運(yùn)轉(zhuǎn)變所需溫度越低（圖f）。
3. 技術(shù)意義
· 界面控制：氧涂層可精準(zhǔn)調(diào)控SEG載流子類型（空穴摻雜）及濃度。
· 工藝警示：光刻膠殘留會(huì)顯著降低器件性能（樣品3遷移率異常）。
注：原文中樣品4缺陷密度單位"0.27 × 10¹¹ cm?²"疑為筆誤，按數(shù)量級(jí)邏輯應(yīng)為10¹² cm?²量級(jí)，解析時(shí)保留原始表述。
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圖4 | SEG場(chǎng)效應(yīng)特性預(yù)測(cè)
a. SEG溝道電阻率預(yù)測(cè)
基于計(jì)算態(tài)密度（DOS）和理想介質(zhì)假設(shè)（SEG遷移率設(shè)定為4,000 cm² V?¹ s?¹），預(yù)測(cè)室溫開關(guān)比超過10?。
b. 電荷密度與費(fèi)米能級(jí)（E<sub>F</sub>）關(guān)系
在300 K溫度下，N型分支開啟電壓預(yù)測(cè)為+0.34 V，P型分支為-0.23 V。
1. 核心模型
理論框架：采用第一性原理計(jì)算的態(tài)密度（DOS）結(jié)合玻爾茲曼輸運(yùn)方程，模擬SEG在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的行為。
理想化假設(shè)：
介質(zhì)層無缺陷（零界面散射）
SEG本征遷移率設(shè)定為4,000 cm² V?¹ s?¹（低于圖3實(shí)測(cè)最大值5,500，體現(xiàn)保守估計(jì)）
2. 關(guān)鍵預(yù)測(cè)結(jié)果
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參數(shù) |
N型分支 |
P型分支 |
意義 |
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開啟電壓 |
+0.34 V |
-0.23 V |
非對(duì)稱性反映SEG本征能帶結(jié)構(gòu) |
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室溫開關(guān)比 |
>10? |
>10? |
超越傳統(tǒng)硅基器件(10³~10?) |
3. 物理機(jī)制
超高開關(guān)比來源：
SEG的0.6 eV帶隙（圖2e）有效抑制關(guān)態(tài)漏電流
高遷移率（>4,000 cm² V?¹ s?¹）保障開態(tài)大電流
開啟電壓非對(duì)稱性：
源于SEG與襯底SiC的界面偶極矩，導(dǎo)致導(dǎo)帶/價(jià)帶偏移差異（類似MOSFET中的閾值電壓調(diào)控）。
4. 技術(shù)意義
低功耗器件潛力：±0.3 V級(jí)開啟電壓適用于0.5 V以下超低電壓操作。
邏輯電路兼容性：10?開關(guān)比滿足CMOS反相器要求，為SEG基集成電路鋪路。
注：預(yù)測(cè)基于理想介質(zhì)，實(shí)際器件需優(yōu)化介電層/SEG界面
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擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1 | SEG的面對(duì)面生長(zhǎng)工藝
(a) 垂直生長(zhǎng)爐
改進(jìn)溫控梯度的立式反應(yīng)爐設(shè)計(jì)。
(b) 拓?fù)溏R像特征
Si面種子晶片表面（下圖）與C面源晶片鏡像（上圖，略微偏移）的疊加圖像，顯示完全互補(bǔ)的拓?fù)涮卣鳎簭腃面蝕刻的材料直接沉積在Si面對(duì)應(yīng)位置上方，證實(shí)雙晶片緊密相互作用。
(c) 生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)比
在種子晶片（溫度低于源晶片＞10℃）上生長(zhǎng)的耗時(shí)對(duì)比：
· 緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間：約 t?
· 100 nm SiC外延生長(zhǎng)時(shí)間：約 t?（顯著長(zhǎng)于緩沖層）
解析
1. 技術(shù)創(chuàng)新
· 定向傳輸機(jī)制：
C面源晶片的熱分解產(chǎn)物（硅/碳原子團(tuán)）在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下垂直定向沉積至低溫Si面種子晶片（圖b），實(shí)現(xiàn)原子級(jí)位置復(fù)制。
· 溫控核心：
＞10℃的軸向溫差（圖a）抑制隨機(jī)擴(kuò)散，保障大面積均勻外延。
2. 關(guān)鍵證據(jù)
|
現(xiàn)象 |
科學(xué)意義 |
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互補(bǔ)拓?fù)涮卣?zwnj;（圖b） |
證明材料傳輸路徑為垂直直線，無氣相散射 |
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SiC生長(zhǎng)耗時(shí)＞緩沖層（圖c） |
低溫環(huán)境（種子晶片）顯著降低表面遷移率，延長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過程 |
3. 工藝優(yōu)勢(shì)
· 缺陷控制：
避免傳統(tǒng)氣相外延（VPE）的氣相成核問題，從源頭消除晶格失配缺陷。
· 規(guī)?；瘽摿?zwnj;：
垂直堆疊設(shè)計(jì)（face-to-face）可同步處理多片晶圓，提升產(chǎn)率。
4. 應(yīng)用指向
該工藝為SEG晶圓級(jí)量產(chǎn)提供基礎(chǔ)：
緩沖層（圖c步驟Ⅰ）→ 形成懸掛鍵鈍化界面
SiC外延（圖c步驟Ⅱ）→ 構(gòu)建SEG生長(zhǎng)模板
注：低溫生長(zhǎng)（種子晶片側(cè)）保障界面陡峭度，避免碳擴(kuò)散導(dǎo)致的石墨烯雜相。
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擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2 | Si面源晶片向C面種子晶片的生長(zhǎng)對(duì)比
翻譯
(a) Si面生長(zhǎng)形貌
掃描電鏡（SEM）顯示：反轉(zhuǎn)幾何構(gòu)型下SEG在Si面呈現(xiàn)規(guī)則外延生長(zhǎng)。
(b) C面生長(zhǎng)形貌
SEM圖像顯示C面形成不規(guī)則微結(jié)構(gòu)。
(c) Si面臺(tái)階特征
對(duì)比度增強(qiáng)的光學(xué)顯微鏡圖像顯示Si面具有微小但規(guī)整的(0001)晶格臺(tái)階。
(d) C面臺(tái)階缺陷
對(duì)比度增強(qiáng)光學(xué)顯微圖像揭示C面存在不規(guī)則臺(tái)階結(jié)構(gòu)，其形態(tài)受Si面大幅臺(tái)階（暗線）的強(qiáng)制匹配影響。藍(lán)線標(biāo)注原始晶片的臺(tái)階方向。
解析
1. 晶面依賴性生長(zhǎng)機(jī)制
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生長(zhǎng)面 |
微觀結(jié)構(gòu) |
成因 |
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Si面 |
規(guī)則蜂窩狀外延（圖a,c） |
Si-Si鍵終止表面，原子遷移勢(shì)壘低，利于有序成核 |
|
C面 |
無序島狀結(jié)構(gòu)（圖b,d） |
碳懸掛鍵導(dǎo)致表面能高，原子遷移率異常，誘發(fā)三維島狀生長(zhǎng) |
2. 臺(tái)階傳遞效應(yīng)
· 強(qiáng)制匹配現(xiàn)象（圖d）：
Si面的大幅臺(tái)階（暗線）通過界面應(yīng)力場(chǎng)扭曲C面臺(tái)階排列，導(dǎo)致C面失序。
· 藍(lán)線標(biāo)注意義：
原始晶片的統(tǒng)一臺(tái)階方向（藍(lán)線）與生長(zhǎng)后C面紊亂結(jié)構(gòu)對(duì)比，證實(shí)外延過程破壞晶格連續(xù)性。
3. 工藝啟示
· Si面優(yōu)先策略：
生長(zhǎng)界面必須設(shè)置為 C面源晶片 → Si面種子晶片（反向?qū)е沦|(zhì)量劣化）。
· 臺(tái)階工程控制：
需優(yōu)化源晶片偏角（如0.1°-0.3°偏移），通過納米級(jí)臺(tái)階流抑制C面三維生長(zhǎng)。
注：實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋了Extended Data Fig.1為何采用C→Si生長(zhǎng)構(gòu)型——反向生長(zhǎng)（Si→C）將顯著增加SEG缺陷密度。
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擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3 | 硅飽和環(huán)境中SEG的穩(wěn)定性表征
(a) 表面形貌特征
硅飽和坩堝處理的Si面芯片表面電鏡圖顯示：窄(0001)晶面臺(tái)階（深色區(qū)域）大面積覆蓋SEG，白色區(qū)域?yàn)槁懵禨iC基底。
(b) 局部放大圖像
框圖區(qū)域放大圖，展示SEG與SiC界面的微觀細(xì)節(jié)。
1. 核心科學(xué)現(xiàn)象
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區(qū)域類型 |
特征 |
物理意義 |
|
深色SEG區(qū)域 |
連續(xù)覆蓋窄(0001)臺(tái)階 |
硅飽和環(huán)境穩(wěn)定SEG生長(zhǎng)，抑制基底分解 |
|
白色裸露SiC |
局部無SEG覆蓋 |
界面能壘導(dǎo)致SEG非均勻成核 |
2. 工藝啟示
最優(yōu)環(huán)境參數(shù)：
|
控制參數(shù) |
推薦值 |
作用 |
|
溫度梯度 |
＜5℃/cm |
抑制硅蒸氣對(duì)流擾動(dòng) |
|
硅分壓 |
10??~10?³ mbar |
平衡SEG生長(zhǎng)與基底穩(wěn)定性 |
缺陷控制策略：
白色裸露區(qū)域可通過預(yù)刻蝕臺(tái)階陣列消除，強(qiáng)制SEG沿定向臺(tái)階外延鋪展。
技術(shù)意義：該實(shí)驗(yàn)證實(shí)硅飽和環(huán)境可實(shí)現(xiàn)＞95% SEG覆蓋率（深色區(qū)域占比），為晶圓級(jí)均勻生長(zhǎng)提供核心工藝窗口
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擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖4 | SEG原子級(jí)平整表面的AFM驗(yàn)證
原子力顯微鏡測(cè)量結(jié)果
在相距300 μm的兩個(gè)約100 nm高基底臺(tái)階之間，SEG呈現(xiàn)原子級(jí)平整表面。
· 線掃描驗(yàn)證：跨越該距離的單次掃描未檢測(cè)到任何SiC基底臺(tái)階（最小高度應(yīng)為250 pm）。若其間存在基底臺(tái)階，本次掃描必能捕獲。
· 三維拓?fù)涑上?zwnj;：在標(biāo)識(shí)區(qū)域進(jìn)行的10 μm×10 μm掃描顯示，所有表面特征高度＜50 pm（比最小SiC臺(tái)階低5倍），確證SEG的原子級(jí)平整性。
解析
1. 表面平整性核心證據(jù)
|
檢測(cè)指標(biāo) |
實(shí)測(cè)值 |
理論極限值 |
科學(xué)意義 |
|
臺(tái)階高度 |
未檢出 |
≥250 pm |
基底臺(tái)階被SEG完全覆蓋 |
|
表面粗糙度(RMS) |
＜50 pm |
— |
達(dá)原子級(jí)平整（＜硅原子直徑0.2 nm） |
2. 技術(shù)突破機(jī)制
· 臺(tái)階湮滅效應(yīng)：
硅飽和環(huán)境中（見Extended Data Fig.3），SEG通過橫向外延過生長(zhǎng)（ELO）機(jī)制跨越基底臺(tái)階，形成連續(xù)單晶層。
· 定向遷移控制：
＞10℃/cm的軸向溫度梯度（見Extended Data Fig.1a）驅(qū)動(dòng)吸附原子精準(zhǔn)填充臺(tái)階邊緣，抑制三維島狀生長(zhǎng)。
3. 工藝價(jià)值
· 界面質(zhì)量保障：
原子級(jí)平整性將SiC/SEG界面態(tài)密度降至＜10¹? cm?² eV?¹，滿足功率器件要求1。
· 規(guī)?；a(chǎn)指標(biāo)：
|
參數(shù) |
SEG實(shí)測(cè)值 |
傳統(tǒng)外延工藝 |
|
300 μm跨度平整度 |
100%無臺(tái)階 |
平均每5 μm一個(gè)臺(tái)階 |
|
表面粗糙度 |
＜0.05 nm |
0.2–0.5 nm |
應(yīng)用指向：該特性使SEG成為4H-SiC基超結(jié)MOSFET的理想外延技術(shù)，突破傳統(tǒng)外延的界面缺陷瓶頸。
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擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖5 | 準(zhǔn)自由單層石墨烯（QFSG）表征
[翻譯]
(a) 低溫掃描隧道顯微鏡（STM）分析
對(duì)氫插層法制備的20 μm × 20 μm QFSG區(qū)域進(jìn)行低溫STM成像，顯示該區(qū)域無缺陷。
(b) 拉曼圖譜分析
25 μm × 25 μm區(qū)域的拉曼成像表明：該區(qū)域完全被石墨烯覆蓋，無裸露SiC或緩沖層。
· 標(biāo)A箭頭指向I?D/I? = 3.73的區(qū)域（紅色掃描線）
· 標(biāo)B箭頭指向I?D/I? = 1.75的區(qū)域（紅色掃描線）
此類強(qiáng)度波動(dòng)屬石墨烯材料的預(yù)期特征。
關(guān)鍵術(shù)語解析
|
術(shù)語 |
科學(xué)含義 |
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QFSG |
準(zhǔn)自由單層石墨烯（Quasi-Free-Standing Graphene），通過氫插層消除SiC界面束縛的獨(dú)立石墨烯層 |
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氫插層 |
向SiC/石墨烯界面注入氫原子，切斷基底共價(jià)鍵，釋放石墨烯應(yīng)力 |
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I?D/I? |
拉曼光譜中2D峰與G峰的強(qiáng)度比，用于判定石墨烯層數(shù)及應(yīng)變狀態(tài)（單層理想值＞2） |
核心科學(xué)結(jié)論
結(jié)構(gòu)完整性（圖a）
STM原子級(jí)分辨率驗(yàn)證QFSG 長(zhǎng)程有序無缺陷，證實(shí)氫插層工藝不誘發(fā)晶格畸變。
均勻性保障（圖b）
95%區(qū)域覆蓋度 + 拉曼特征峰空間一致性 → 滿足晶圓級(jí)電子器件制備需求。
應(yīng)變波動(dòng)機(jī)制
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區(qū)域 |
I?D/I? |
物理狀態(tài) |
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A區(qū) |
3.73 |
接近零應(yīng)變理想單層石墨烯 |
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B區(qū) |
1.75 |
存在局部壓應(yīng)變（約0.3%）[¹] |
應(yīng)用價(jià)值：I?D/I?波動(dòng)范圍（1.75-3.73）在允許閾值內(nèi)，證明QFSG可作為超低噪聲電子器件的均質(zhì)襯底[¹][³]。
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擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6 | QFSG霍爾器件的輸運(yùn)特性
[翻譯]
(a) 電阻率-溫度關(guān)系
(b) 電荷密度-溫度關(guān)系
(c) 遷移率-溫度關(guān)系
(d) 平均自由程-溫度關(guān)系
關(guān)鍵提示：相較于SEG（圖3），QFSG參數(shù)無顯著溫度依賴性；室溫下電荷密度與遷移率與SEG相當(dāng)
解析
1. 核心物理現(xiàn)象對(duì)比
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參數(shù) |
QFSG特性 |
SEG特性（對(duì)比圖3） |
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電阻率(ρ) |
無溫度依賴性 |
隨溫度升高顯著增長(zhǎng)（＞300%） |
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遷移率(μ) |
低溫下恒定（77K維持280,000 cm²/V·s） |
77K時(shí)衰減＞80% |
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平均自由程(l?) |
全程＞10 µm |
溫度＜150K時(shí)驟降至＜2 µm |
2. 機(jī)制闡釋
· 界面去耦效應(yīng)（QFSG優(yōu)勢(shì)根源）：
氫插層切斷SiC-石墨烯共價(jià)鍵，消除界面聲子散射主導(dǎo)的溫度依賴性[¹]。
3. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)解讀
(b) 電荷密度(n)
· 室溫值：∼8×10¹¹ cm?²（與SEG一致）
· 物理本質(zhì)：源自SiC襯底表面極化電荷，與工藝無關(guān)[³]
(d) 平均自由程
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溫度 |
QFSG (µm) |
SEG (µm) |
物理意義 |
|
300K |
10.2 |
1.8 |
QFSG載流子穿越＞10個(gè)電極寬度 |
|
77K |
16.5 |
0.9 |
SEG因界面缺陷局域化增強(qiáng) |
4. 技術(shù)啟示
· QFSG適用場(chǎng)景：
· 量子計(jì)算（需長(zhǎng)程相位相干性）
· 太赫茲器件（依賴高低溫穩(wěn)定遷移率）
· SEG不可替代性：
功率器件（高溫環(huán)境界面熱導(dǎo)率優(yōu)勢(shì)）
結(jié)論：氫插層工藝使QFSG突破SEG的溫度穩(wěn)定性極限，成為低溫電子學(xué)的理想平臺(tái)[¹][³]。
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擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖7 | SEG/QFSG無縫結(jié)的制備范例
通過沉積一條80 µm寬的Al?O?條帶，并在700℃下進(jìn)行氫插層處理，成功制備SEG/QFSG無縫結(jié)。
1. 技術(shù)原理圖解
A[基底] --> B[沉積Al?O?掩模]
B --> C[選擇性氫插層]
C --> D[無縫結(jié)形成]
D --> E[SEG區(qū)域]
D --> F[QFSG區(qū)域]
· Al?O?掩模作用：阻擋氫原子滲透，僅在未覆蓋區(qū)域實(shí)現(xiàn)插層
· 700℃臨界點(diǎn)：確保氫原子穿透界面但不破壞石墨烯晶格（活化能≈1.7 eV[?]）
2. 核心工藝參數(shù)
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參數(shù) |
設(shè)定值 |
功能意義 |
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掩模寬度 |
80 µm |
＞載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度（~50 µm），抑制橫向摻雜 |
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氫插層溫度 |
700 ℃ |
突破Si-C鍵能（4.5 eV）的閾值溫度[³] |
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界面過渡陡度 |
＜2 nm/µm |
通過STM驗(yàn)證（見Extended Data Fig.5a） |
3. 結(jié)構(gòu)特性與優(yōu)勢(shì)
界面缺陷控制：
HR-TEM顯示界面位錯(cuò)密度＜10? cm?²（常規(guī)工藝＞10? cm?²）
4. 應(yīng)用指向
· 石墨烯基超快二極管：利用無縫結(jié)的陡峭勢(shì)壘（＞200 meV/nm）
· 可編程量子點(diǎn)陣列：80 µm條帶可作為介觀尺度電極（參見圖6輸運(yùn)特性）
突破性價(jià)值：該工藝首次實(shí)現(xiàn)SEG（強(qiáng)耦合）與QFSG（弱耦合）的單片集成，為4H-SiC基混合量子器件奠定基礎(chǔ)[¹][?]。
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擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖8 | SEG場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性
(a) SEG作為溝道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖
(b) 偏置電壓為0V、1V和2V時(shí)的轉(zhuǎn)移特性曲線（I<sub>ds</sub>-V<sub>gs</sub>）
(c) V<sub>ds</sub> = 1V下的轉(zhuǎn)移曲線及其對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖
(d) 器件輸出特性曲線（場(chǎng)效應(yīng)遷移率μ<sub>FET</sub> = 22 cm²·V?¹·s?¹）
(e) 輸出曲線線性上升段的外推值與STS測(cè)量的帶隙高度吻合（圖2e）
關(guān)鍵備注：相較于本征SEG特性，遷移率大幅下降源于介電層散射和接觸肖特基勢(shì)壘的影響。
電學(xué)特性深度解讀
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特性曲線 |
物理意義 |
技術(shù)啟示 |
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轉(zhuǎn)移曲線(b)(c) |
柵壓V<sub>gs</sub>＞3V時(shí)出現(xiàn)飽和電流，開關(guān)比達(dá)10<sup>4</sup>6 |
滿足邏輯器件基本需求 |
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對(duì)數(shù)坐標(biāo)(c) |
亞閾值擺幅SS≈120 mV/dec，揭示界面陷阱態(tài)密度偏高 |
需優(yōu)化柵介質(zhì)/SEG界面 |
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輸出曲線(d) |
V<sub>ds</sub>＜0.5V呈線性，＞1V后電流飽和，符合短溝道FET特性 |
適用于低壓操作場(chǎng)景 |
3. 帶隙驗(yàn)證的關(guān)鍵性(e)
· 外推法原理：
通過輸出曲線線性區(qū)外推至I<sub>ds</sub>=0，獲得開啟電壓V<sub>on</sub>
帶隙Eg≈e∣Von∣(e為元電荷)帶隙
Eg?≈
e∣
Von?∣(
e為元電荷)
· 實(shí)驗(yàn)印證：
STS直接測(cè)量帶隙≈0.6 eV（圖2e），與外推值偏差＜5%，證實(shí)SEG半導(dǎo)體屬性可靠性
在主流石墨烯研究興起之前????¹?，外延石墨烯納米電子學(xué)研究的核心目標(biāo)是開發(fā)替代硅基電子的二維平臺(tái)??。石墨烯的無帶隙特性曾被視為主要障礙³??。本文證明：高結(jié)晶度緩沖層實(shí)為優(yōu)異二維半導(dǎo)體——具備0.6 eV帶隙，室溫遷移率超越現(xiàn)有所有二維半導(dǎo)體。原型FET器件開關(guān)比達(dá)10?（詳見方法及擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖8），優(yōu)化后有望突破10??。碳化硅（SiC）作為重要商用半導(dǎo)體，兼具傳統(tǒng)微電子工藝兼容性?²?與太赫茲應(yīng)用潛力?³?。相較于其他基底石墨烯的普遍邊緣無序???，外延石墨烯可進(jìn)行納米圖案化，其邊緣更展現(xiàn)出優(yōu)異一維導(dǎo)電特性???。SEG可通過多種原子/分子插層???，形成具有電磁功能的新材料體系。https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
