【DT半導(dǎo)體】獲悉，隨著人工智能（AI）技術(shù)的進(jìn)步，對半導(dǎo)體性能的提升需求不斷增長，同時人們對降低半導(dǎo)體器件功耗的研究也日趨活躍，替代傳統(tǒng)硅的新型半導(dǎo)體材料備受關(guān)注。石墨烯、過渡金屬二硫化物（TMD）等二維材料因結(jié)構(gòu)薄、電學(xué)性能優(yōu)異成為新一代半導(dǎo)體的理想材料，但目前還缺乏高質(zhì)量合成和工業(yè)應(yīng)用的量產(chǎn)技術(shù)。

化學(xué)氣相沉積法（CVD）存在諸如電性能下降以及需要將生長的TMD轉(zhuǎn)移到不同襯底等問題，增加了工藝的復(fù)雜性。此外，在高度結(jié)晶的襯底上生長TMD的“外延”方法也需要轉(zhuǎn)移過程，并且僅限于特定襯底。因此，基于高質(zhì)量TMD 的先進(jìn)3D集成技術(shù)的開發(fā)已成為現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了對新型TMD合成方法的迫切需求。

為了解決這個問題，首爾大學(xué)聯(lián)合三星電子開發(fā)了一種全新的生長方法：利用二維材料（例如石墨烯和六方氮化硼）作為模板，引導(dǎo)TMD晶體排列，從而能夠在任何襯底上合成完美的單晶TMD薄膜。研究人員為這種方法起名為“Hypotaxy”。

Hypotaxy 技術(shù)的提出，為石墨烯半導(dǎo)體的發(fā)展提供了一條全新的路線。該方法利用石墨烯作為模板，引導(dǎo) TMDs 在其下方有序排列并形成高質(zhì)量的單晶薄膜。這一過程不僅可以在各種基板上直接生長高質(zhì)量的石墨烯-TMDs 復(fù)合結(jié)構(gòu)，還能避免傳統(tǒng)CVD方法所需的材料轉(zhuǎn)移步驟，從而提高制造工藝的簡便性和器件的均勻性。此外，由于Hypotaxy 過程可在400°C的低溫環(huán)境下進(jìn)行，能夠與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝兼容，滿足集成電路制造的要求。 Hypotaxy 技術(shù)結(jié)合了石墨烯和TMDs的優(yōu)勢，實現(xiàn)了高遷移率、高穩(wěn)定性和低功耗的半導(dǎo)體材料體系。在這一體系中，石墨烯不僅充當(dāng)了生長模板，還能有效提升TMDs的電子輸運特性。通過在石墨烯上預(yù)先設(shè)計納米孔結(jié)構(gòu)，可以精確控制 TMDs 的生長區(qū)域，從而形成具有特定帶隙和電子特性的納米器件。

石墨烯在晶體管中的應(yīng)用

石墨烯在晶體管領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在高頻電子器件和低功耗邏輯電路中。由于其極高的載流子遷移率，石墨烯場效應(yīng)晶體管（GFET）在高頻電子學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，GFET 已在太赫茲（THz）探測器、射頻放大器和高速光電探測器中取得了重要突破。此外，隨著異質(zhì)集成技術(shù)的發(fā)展，石墨烯與氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等寬禁帶半導(dǎo)體結(jié)合的研究也備受關(guān)注，旨在提高高功率電子器件的性能。 在低功耗邏輯電路中，石墨烯的零帶隙問題使其難以直接替代硅。然而，通過構(gòu)建雙層石墨烯并施加垂直電場，研究人員可以在不犧牲電子遷移率的情況下打開石墨烯的帶隙，從而實現(xiàn)高效的場效應(yīng)晶體管（FET）。此外，利用石墨烯的高導(dǎo)熱性，未來的芯片可以采用石墨烯互連材料，以減少電子器件的熱效應(yīng)，提高整體計算性能。

石墨烯在光電子器件中的應(yīng)用

光電子領(lǐng)域是石墨烯半導(dǎo)體最具潛力的應(yīng)用方向之一。由于石墨烯的超寬帶光吸收特性（涵蓋從紫外到遠(yuǎn)紅外的整個光譜范圍）和超快光響應(yīng)速度，基于石墨烯的光電探測器、激光器和太陽能電池已成為研究熱點。

在光電探測器領(lǐng)域，石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)探測器能夠在傳統(tǒng)硅光子技術(shù)的基礎(chǔ)上顯著提高響應(yīng)速度和光電轉(zhuǎn)換效率。相比于傳統(tǒng)硅光探測器，石墨烯光探測器能夠在更廣泛的光譜范圍內(nèi)工作，并具有更快的響應(yīng)時間。因此，石墨烯在高速光通信、量子光學(xué)和生物成像領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。

此外，石墨烯在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷拓展。研究表明，石墨烯可以作為透明電極材料，用于提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。與傳統(tǒng)的氧化銦錫（ITO）相比，石墨烯具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械柔性，使其成為下一代柔性光伏電池的理想選擇。