華為公開“石墨烯場效應(yīng)晶體管”專利：石墨烯成電子器件原料？

由于石墨烯具有高遷移率的特性，業(yè)界已經(jīng)開始將石墨烯應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的制作。目前石墨烯晶體管的制造方法一般是采用液相涂膜或轉(zhuǎn)移的方法將石墨烯薄膜形成于玻璃襯底上。然而，此方法的缺點(diǎn)在于，石墨烯薄膜與玻璃襯底之間的接口經(jīng)常會發(fā)生污染，從而嚴(yán)重影響石墨烯晶體管的性能。此外，目前石墨烯晶體管的制造方法由于操作繁復(fù)、成本較高、產(chǎn)率也較低，因此難以滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。有鑒于此，目前有需要發(fā)展一種改良的石墨烯晶體管的制造方法。

“石墨烯場效應(yīng)晶體管傳感器”是復(fù)旦大學(xué)研究員魏大程團(tuán)隊開發(fā)的一種基于內(nèi)剪切反應(yīng)的傳感器 。2019年4月，相關(guān)研究成果以《基于內(nèi)剪切反應(yīng)的石墨烯場效應(yīng)晶體管自由基傳感器》為題在線發(fā)表于《自然·通訊》。

2019年4月，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員魏大程課題組在場效應(yīng)晶體管傳感器領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。他們開發(fā)出一種基于內(nèi)剪切反應(yīng)的石墨烯場效應(yīng)晶體管傳感器，實(shí)現(xiàn)了對羥基自由基的檢測。

在傳感器中，石墨烯作為導(dǎo)電溝道。檢測過程中，羥基自由基與Au-S鍵發(fā)生氧化剪切反應(yīng)，從石墨烯表面釋放帶電金屬離子，引起石墨烯溝道的電流變化，從而間接實(shí)現(xiàn)對羥基自由基的檢測。

該傳感器對羥基自由基具有良好的選擇性，最低檢測濃度達(dá)到十億分之一摩爾 。場效應(yīng)晶體管傳感器不需要標(biāo)記，具有高靈敏度、低成本、微型便攜、實(shí)時檢測等優(yōu)勢，是一種潛力巨大的傳感技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于檢測金屬離子、DNA、蛋白質(zhì)、有機(jī)小分子等。

企查查 App 顯示，近日，華為技術(shù)有限公司公開 “石墨烯場效應(yīng)晶體管”專利，公開號為 CN110323266B。

了解到，專利摘要顯示，該申請?zhí)峁┮环N石墨烯場效應(yīng)晶體管，涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，可提高器件輸出電阻，從而提高開關(guān)比，實(shí)現(xiàn)更好的射頻性能。一種石墨烯場效應(yīng)晶體管，包括：襯底、第一柵電極、第二柵電極、第一柵介質(zhì)層、第二柵介質(zhì)層、溝道層以及源電極和漏電極。

此外，溝道層的材料包括 AB 堆垛雙層石墨烯或者 AB 堆垛多層石墨烯;第一柵電極和第一柵介質(zhì)層設(shè)置于溝道層的一側(cè)，第二柵電極和第二柵介質(zhì)層設(shè)置于溝道層的另一側(cè);第一柵電極包括多個間隔設(shè)置的第一子電極以及第一連接子電極;第一子電極的延伸方向與源電極和漏電極的間距方向交叉，第一連接子電極與溝道層在襯底上的投影無交疊;第一子電極和第二柵電極用于向溝道層提供垂直于溝道層的縱向電場。

石墨烯是一種六方點(diǎn)陣蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維( 2D) 材料，由sp2雜化碳原子相互連接構(gòu)成。目前，應(yīng)用較為廣泛的制備石墨烯方法主要有: 機(jī)械剝離法、Hummers 法( 制備石墨烯的化學(xué)氧化-還原法) 、化學(xué)氣相沉積法( CVD) 和外延生長法等。機(jī)械剝離法制備的石墨烯完整度較高，但是操作復(fù)雜，可控性低，成本較高且效率低下，實(shí)際生產(chǎn)中很少被采用; 化學(xué)氧化-還原法操作簡單，可以制備大規(guī)模石墨烯，被廣泛用于石墨烯復(fù)合材料制備，但氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)不能完全被還原，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，空洞等破壞石墨烯共軛大π 鍵，影響石墨烯的導(dǎo)電性能; CVD 法制備的石墨烯完整度很高，在精細(xì)加工領(lǐng)域，比如集成電路方面，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，但由于其在金屬層上沉積，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(zhuǎn)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，原料碳化硅又十分昂貴，不適合一次性制得大量的石墨烯。

由于石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、光學(xué)性能及機(jī)械性能，使其成為集成電路、場效應(yīng)晶體管、光電器件及傳感器的熱門材料，本文綜述了近年來石墨烯電子器件的研究進(jìn)展。

2019年中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心首次制備出以肖特基結(jié)作為發(fā)射結(jié)的垂直結(jié)構(gòu)晶體管“硅—石墨烯—鍺晶體管”，成功將石墨烯基區(qū)晶體管的延遲時間縮短了1000倍以上，能使電子部件信號的傳遞和處理速度極大降低。未來將有望在太赫茲(THz)領(lǐng)域的高速器件中應(yīng)用。

分析人士稱一旦石墨烯晶體管投入市場，意味著我國半導(dǎo)體行業(yè)將得到極大的發(fā)展。此外，在上海舉行的國際石墨烯創(chuàng)新大會上，中國中科院就向世界展示了最新研制的8英寸石墨烯單晶晶圓。碳基芯片相比硅基芯片具有高硬度、高導(dǎo)熱性以及高導(dǎo)電性等獨(dú)特的優(yōu)勢特性。華為公開的這項(xiàng)專利將有助于打破美國等對半導(dǎo)體行業(yè)的壟斷。

石墨烯具有較大比表面積，可以負(fù)載較多分析的分子，提供更多活性位點(diǎn)，同時石墨烯極好的電子傳輸能力、對外部環(huán)境敏感性、對多種氧化還原反應(yīng)具有電催化活性及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢，使其在化學(xué)傳感器領(lǐng)域擁有巨大潛力。

石墨烯電子器件的關(guān)鍵問題在于石墨烯結(jié)構(gòu)及層數(shù)的精準(zhǔn)控制，利用化學(xué)沉積法制備石墨烯的工藝價格昂貴，無法規(guī)?；a(chǎn); 外延生長法制備的石墨烯層數(shù)無法準(zhǔn)確控制; 機(jī)械剝離法效率低價格高;Hummer 法制備石墨烯結(jié)構(gòu)受到破壞。因此，找到一種價格低廉，制備高品質(zhì)石墨烯的方法勢在必行。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的進(jìn)步，相信不久之后這些問題就會解決，石墨烯會成為電子器件家族的重要一員。