晶圓級范德華接觸陣列研究獲進(jìn)展
晶圓級范德華接觸陣列研究獲進(jìn)展
近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點(diǎn)實驗室狄增峰研究團(tuán)隊基于鍺基石墨烯襯底開發(fā)出晶圓級金屬電極陣列轉(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。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題。然而，二維材料原子級厚度使其在半導(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二維材料造成損傷或無意摻雜，形成非理想金屬/二維半導(dǎo)體界面，使二維半導(dǎo)體器件實際性能與預(yù)期性能存在差異。因此，針對高性能二維半導(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。
上海微系統(tǒng)所狄增峰研究團(tuán)隊與合作者，報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，實現(xiàn)了任意金屬電極陣列（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，并觀測到理論預(yù)測下的肖特基勢壘高度調(diào)控行為。進(jìn)一步，研究通過選擇功函數(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，開關(guān)比超過106。
隨著集成電路逐步進(jìn)入非硅時代，開發(fā)適用于二維材料的半導(dǎo)體先進(jìn)制程工藝需求頗為迫切。研究報道的石墨烯輔助金屬電極陣列轉(zhuǎn)印技術(shù)和晶圓級范德華接觸陣列，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現(xiàn)提供技術(shù)可行路徑。
韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院科研人員同期在Nature Electronics上發(fā)表評論文章（Integrating 2D materials and metal electrodes）評價道：“石墨烯輔助金屬轉(zhuǎn)移技術(shù)提供了一個可靠的制造晶圓級范德華金屬-半導(dǎo)體接觸的平臺，有望應(yīng)用于高性能電子和光電子器件的開發(fā)?！?/p>
研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委員會、中科院、上海市科學(xué)技術(shù)委員會等的支持。中科院上海技術(shù)物理所科研人員參與研究。
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