據(jù)悉，近日，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室狄增峰研究團(tuán)隊(duì)基于鍺基石墨烯襯底開發(fā)出晶圓級(jí)金屬電極陣列轉(zhuǎn)印技術(shù)，在二維材料與金屬電極的大面積無損范德華集成研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)工作于2022年5月23日以“Graphene-assisted metal transfer printing for wafer-scale integration of metal electrodes and two-dimensional materials”為題發(fā)表于Nature Electronics。

 

基于新結(jié)構(gòu)和新原理的二維半導(dǎo)體器件展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，有望解決硅基器件在極限尺寸下面臨的問題。然而，二維材料原子級(jí)厚度使其在半導(dǎo)體先進(jìn)制程中顯得過分脆弱。特別在金屬電極生長(zhǎng)工藝中，濺射離子轟擊、殘留化學(xué)污染、較高工藝溫度等因素都極易對(duì)二維材料造成損傷或者無意摻雜，形成非理想金屬/二維半導(dǎo)體界面，使得二維半導(dǎo)體器件實(shí)際性能與預(yù)期性能存在巨大差異。因此，針對(duì)高性能二維半導(dǎo)體器件研制，亟需發(fā)展一種具有普適性的電極制作工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)任意金屬與二維材料的高質(zhì)量歐姆或者肖特基接觸。

 

針對(duì)上述問題，上海微系統(tǒng)所狄增峰研究團(tuán)隊(duì)通過合作研究，報(bào)道了一種石墨烯輔助金屬電極轉(zhuǎn)印技術(shù)。該技術(shù)以鍺基石墨烯晶圓作為預(yù)沉積襯底生長(zhǎng)金屬電極陣列，并利用石墨烯與金屬之間較弱的范德華作用力，實(shí)現(xiàn)了任意金屬電極陣列(例如：銅、銀、金、鉑、鈦和鎳)無損轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移成功率達(dá)到100%，轉(zhuǎn)移面積達(dá)到4英寸。原子力顯微鏡、截面掃描透射電鏡證明了剝離后的金屬表面呈現(xiàn)無缺陷的原子級(jí)平整。銅、銀、金、鉑、鈦和鎳六種金屬電極陣列均可以成功轉(zhuǎn)印至二硫化鉬（MoS2）溝道材料上，形成理想的金屬/半導(dǎo)體界面，并觀測(cè)到理論預(yù)測(cè)下的肖特基勢(shì)壘高度調(diào)控行為。進(jìn)一步，通過選擇功函數(shù)匹配的金屬電極，成功制備出低接觸電阻的MoS2晶體管器件陣列。MoS2晶體管器件陣列具有良好的性能一致性，開關(guān)比超過106。

 

隨著集成電路逐步進(jìn)入非硅時(shí)代，開發(fā)適用于二維材料的半導(dǎo)體先進(jìn)制程工藝需求非常迫切。研究報(bào)道的石墨烯輔助金屬電極陣列轉(zhuǎn)印技術(shù)和晶圓級(jí)范德華接觸陣列，有望廣泛應(yīng)用于高性能二維材料器件和電路制造，為新一代范德華集電路的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)可行路徑。

 

韓國(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)院Soon-Yong Kwon教授同期在Nature Electronics上發(fā)表題為“Integrating 2D materials and metal electrodes”的評(píng)論文章，高度評(píng)價(jià)道：“石墨烯輔助金屬轉(zhuǎn)移技術(shù)提供了一個(gè)可靠的制造晶圓級(jí)范德華金屬-半導(dǎo)體接觸的平臺(tái)，有望應(yīng)用于高性能電子和光電子器件的開發(fā)”（This graphene-assisted metal transfer strategy provides a reliable platform for fabrication of wafer-scale van der Waals 3D–2D metal–semiconductor junctions, and should be of use in the development of high-performance electronic and optoelectronic devices）。

 

中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所劉冠宇博士后和田子傲研究員為論文共同第一作者，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所狄增峰研究員和中科院上海技術(shù)物理所胡偉達(dá)研究員為共同通訊作者。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所是論文工作的第一完成單位。研究工作獲得科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、上海市科委等項(xiàng)目的大力支持。

 

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00764-4

 

評(píng)論文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00770-6

圖1. （a）石墨烯輔助金屬轉(zhuǎn)印技術(shù)流程；（b）4英寸金電極轉(zhuǎn)印陣列照片。