近日，中國(guó)科學(xué)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(kāi)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(wú)損范德華集成研究方面取得進(jìn)展。5月23日，相關(guān)研究成果以Graphene-assisted metal transfer printing for wafer-scale integration of metal electrodes and two-dimensional materials為題，發(fā)表在《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）上。
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(wèn)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(guò)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均易對(duì)二維材料造成損傷或無(wú)意摻雜，形成非理想金屬/二維半導(dǎo)體界面，使二維半導(dǎo)體器件實(shí)際性能與預(yù)期性能存在差異。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)量歐姆或肖特基接觸。
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
上海微系統(tǒng)所狄增峰研究團(tuán)隊(duì)與合作者，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（如銅、銀、金、鉑、鈦和鎳）無(wú)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(wú)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，研究通過(guò)選擇功函數(shù)匹配的金屬電極，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(kāi)關(guān)比超過(guò)106。
圖2.a、批量制備的銀轉(zhuǎn)移電極MoS2背柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管陣列照片；b、10 10晶體管陣列開(kāi)關(guān)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果；c、銀轉(zhuǎn)移電極MoS2背柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性；d、銀轉(zhuǎn)移電極MoS2背柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出特性曲線
隨著集成電路逐步進(jìn)入非硅時(shí)代，開(kāi)發(fā)適用于二維材料的半導(dǎo)體先進(jìn)制程工藝需求頗為迫切。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)院科研人員同期在Nature Electronics上發(fā)表評(píng)論文章（Integrating 2D materials and metal electrodes）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(kāi)發(fā)」。
研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中科院、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。中科院上海技術(shù)物理所科研人員參與研究。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00764-4
封面圖來(lái)源：Nature Electronics
–中國(guó)科學(xué)院
