新加坡国立大学Mario Lanza团队Adv. Mater.: 高可靠性石墨烯微芯片的可规模化生产

成果介绍

石墨烯是一种无带隙二维材料，可用于制造性能优异的电子器件与电路，在通信和传感领域尤其具有应用前景。尽管实验室规模的研究已展现出良好性能，但晶圆级石墨烯集成电路因本征缺陷（特别是电介质与电极界面处的缺陷）导致可靠性较差。

有鉴于此，近日，新加坡国立大学Mario Lanza团队通过多项目晶圆流片工艺，在200毫米晶圆上制备出包含晶体管和倍频器的高可靠性石墨烯微芯片。该晶体管采用多层六方氮化硼（hBN）作为栅极电介质，在可靠性方面展现出创纪录的性能表现：hBN/石墨烯晶体管具有低于20 mV的超低迟滞效应，即使经过2100次循环后，其导通电流和电荷中性点偏移仍可忽略不计。这种超稳定特性与采用金属氧化物栅极电介质（HfO₂、Al₂O₃）的器件形成鲜明对比——后者仅经历数十次循环就会出现严重性能退化。跨多器件的重复实验结果具有高度一致性，其低变异特性证明了该工艺可实现石墨烯微芯片的大规模量产。

图文导读

图1. 基于石墨烯场效应晶体管的微芯片设计与制备。

结论与展望

本研究采用全工业化标准工艺，成功实现了高可靠性石墨烯微芯片的可规模化生产。通过使用晶圆级制备的高质量多层六方氮化硼替代传统金属氧化物栅介质材料，所制备的石墨烯晶体管展现出优异的稳定性：器件间电荷中性点差异极小，在1 V/s扫描速率下迟滞电压低于20 mV，栅极漏电流低于1 pA，且这些特性在经过2000次循环测试后仍保持稳定，器件良率达到100%。这种可靠性提升直接体现在电路性能上，倍频器电路的测试结果充分验证了这一点。

文献信息

W. Zheng, S. Pazos, Y. Yuan, et al. “Scalable Production of Highly-Reliable Graphene-Based Microchips.” Adv. Mater. (2025): e10501.

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202510501