华为公开“石墨烯场效应晶体管”专利：石墨烯成电子器件原料？

由于石墨烯具有高迁移率的特性，业界已经开始将石墨烯应用于半导体器件的制作。目前石墨烯晶体管的制造方法一般是采用液相涂膜或转移的方法将石墨烯薄膜形成于玻璃衬底上。然而，此方法的缺点在于，石墨烯薄膜与玻璃衬底之间的接口经常会发生污染，从而严重影响石墨烯晶体管的性能。此外，目前石墨烯晶体管的制造方法由于操作繁复、成本较高、产率也较低，因此难以满足大规模应用的需求。有鉴于此，目前有需要发展一种改良的石墨烯晶体管的制造方法。

“石墨烯场效应晶体管传感器”是复旦大学研究员魏大程团队开发的一种基于内剪切反应的传感器 。2019年4月，相关研究成果以《基于内剪切反应的石墨烯场效应晶体管自由基传感器》为题在线发表于《自然·通讯》。

2019年4月，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室研究员魏大程课题组在场效应晶体管传感器领域取得重要进展。他们开发出一种基于内剪切反应的石墨烯场效应晶体管传感器，实现了对羟基自由基的检测。

在传感器中，石墨烯作为导电沟道。检测过程中，羟基自由基与Au-S键发生氧化剪切反应，从石墨烯表面释放带电金属离子，引起石墨烯沟道的电流变化，从而间接实现对羟基自由基的检测。

该传感器对羟基自由基具有良好的选择性，最低检测浓度达到十亿分之一摩尔 。场效应晶体管传感器不需要标记，具有高灵敏度、低成本、微型便携、实时检测等优势，是一种潜力巨大的传感技术，被广泛应用于检测金属离子、DNA、蛋白质、有机小分子等。

企查查 App 显示，近日，华为技术有限公司公开 “石墨烯场效应晶体管”专利，公开号为 CN110323266B。

了解到，专利摘要显示，该申请提供一种石墨烯场效应晶体管，涉及半导体技术领域，可提高器件输出电阻，从而提高开关比，实现更好的射频性能。一种石墨烯场效应晶体管，包括：衬底、第一栅电极、第二栅电极、第一栅介质层、第二栅介质层、沟道层以及源电极和漏电极。

此外，沟道层的材料包括 AB 堆垛双层石墨烯或者 AB 堆垛多层石墨烯;第一栅电极和第一栅介质层设置于沟道层的一侧，第二栅电极和第二栅介质层设置于沟道层的另一侧;第一栅电极包括多个间隔设置的第一子电极以及第一连接子电极;第一子电极的延伸方向与源电极和漏电极的间距方向交叉，第一连接子电极与沟道层在衬底上的投影无交叠;第一子电极和第二栅电极用于向沟道层提供垂直于沟道层的纵向电场。

石墨烯是一种六方点阵蜂窝状结构的二维( 2D) 材料，由sp2杂化碳原子相互连接构成。目前，应用较为广泛的制备石墨烯方法主要有: 机械剥离法、Hummers 法( 制备石墨烯的化学氧化-还原法) 、化学气相沉积法( CVD) 和外延生长法等。机械剥离法制备的石墨烯完整度较高，但是操作复杂，可控性低，成本较高且效率低下，实际生产中很少被采用; 化学氧化-还原法操作简单，可以制备大规模石墨烯，被广泛用于石墨烯复合材料制备，但氧化石墨烯表面的含氧官能团不能完全被还原，易出现结构缺陷，空洞等破坏石墨烯共轭大π 键，影响石墨烯的导电性能; CVD 法制备的石墨烯完整度很高，在精细加工领域，比如集成电路方面，可以充分发挥其优势，但由于其在金属层上沉积，需要腐蚀掉金属层才能得到石墨烯，成本较高; 外延生长法得到的石墨烯，难转移、不能精确控制石墨烯厚度，很难得到大尺寸、高均匀性的石墨烯，原料碳化硅又十分昂贵，不适合一次性制得大量的石墨烯。

由于石墨烯优异的导电、导热性能、光学性能及机械性能，使其成为集成电路、场效应晶体管、光电器件及传感器的热门材料，本文综述了近年来石墨烯电子器件的研究进展。

2019年中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心首次制备出以肖特基结作为发射结的垂直结构晶体管“硅—石墨烯—锗晶体管”，成功将石墨烯基区晶体管的延迟时间缩短了1000倍以上，能使电子部件信号的传递和处理速度极大降低。未来将有望在太赫兹(THz)领域的高速器件中应用。

分析人士称一旦石墨烯晶体管投入市场，意味着我国半导体行业将得到极大的发展。此外，在上海举行的国际石墨烯创新大会上，中国中科院就向世界展示了最新研制的8英寸石墨烯单晶晶圆。碳基芯片相比硅基芯片具有高硬度、高导热性以及高导电性等独特的优势特性。华为公开的这项专利将有助于打破美国等对半导体行业的垄断。

石墨烯具有较大比表面积，可以负载较多分析的分子，提供更多活性位点，同时石墨烯极好的电子传输能力、对外部环境敏感性、对多种氧化还原反应具有电催化活性及化学稳定性等优势，使其在化学传感器领域拥有巨大潜力。

石墨烯电子器件的关键问题在于石墨烯结构及层数的精准控制，利用化学沉积法制备石墨烯的工艺价格昂贵，无法规模化生产; 外延生长法制备的石墨烯层数无法准确控制; 机械剥离法效率低价格高;Hummer 法制备石墨烯结构受到破坏。因此，找到一种价格低廉，制备高品质石墨烯的方法势在必行。随着研究的不断深入和技术的进步，相信不久之后这些问题就会解决，石墨烯会成为电子器件家族的重要一员。