石墨烯輔助金屬電極轉印技術(shù) 或將推開(kāi)二維芯片應用新大門(mén)

盡管芯片制程已經(jīng)一步步逼近物理極限，人們對集成電路性能和尺寸的要求卻絲毫沒(méi)有降低?；谛陆Y構、新原理的二維半導體器件以其獨特的性能，有望解決硅基器件面臨的“瓶頸”。然而，二維材料超薄的厚度(原子級厚度)使其十分脆弱，加工制造過(guò)程中極易造成材料損傷或摻雜，從而導致器件實(shí)際性能與預期存在巨大差異。

近日，中科院上海微系統與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員狄增峰團隊，開(kāi)發(fā)出一種石墨烯輔助金屬電極轉印技術(shù)。該技術(shù)以鍺基石墨烯晶圓作為預沉積襯底生長(cháng)金屬電極陣列，并利用石墨烯與金屬間較弱的范德華作用力(一種分子間作用力)，實(shí)現了任意金屬電極陣列的無(wú)損轉移，且轉移成功率達到100%。

該技術(shù)對二維材料工藝路徑進(jìn)行了探索，或將推開(kāi)通向二維芯片應用新世界的大門(mén)。5月23日晚，相關(guān)研究以封面文章形式在《自然—電子學(xué)》上發(fā)表。

材料“降維”功能升級

操控不同的原子一個(gè)個(gè)堆疊起來(lái)，得到想要的材料，一直是材料學(xué)家的夢(mèng)想之一。

2004年，單原子厚度石墨烯的發(fā)現為二維材料(厚度從單原子層到幾個(gè)原子層，電子僅可在兩個(gè)維度自由運動(dòng)的材料)應用帶來(lái)了希望。二維材料電子遷移和熱量擴散被限制在平面之內，因而展現出三維材料未有的特性。

不同的二維材料晶體結構各異，因此出現不同的電學(xué)或光學(xué)特性，使其在光電器件、熱電器件、仿生器件、光電探測等領(lǐng)域展現巨大的發(fā)展潛力。有材料學(xué)家預言，在未來(lái)人們可以借助二維材料，在提升集成電路性能和功能的同時(shí)大大降低制造成本。

“二維材料有很多獨特的性能，但它在實(shí)際應用中也面臨一些加工難題。”狄增峰告訴《中國科學(xué)報》，“隨著(zhù)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體先進(jìn)制程工藝需求非常迫切。”

電極“生長(cháng)”難題

電極是集成電路的基礎，任何電子器件、電路都要通過(guò)電極連接實(shí)現復雜的功能。

在集成電路制造工藝中，常規的電極“生長(cháng)”技術(shù)是將金屬原子束“打”到基底材料上。盡管金屬原子束的能量有限，但對于超薄的二維溝道材料來(lái)說(shuō)，濺射離子轟擊會(huì )對材料造成損傷，導致二維溝道材料產(chǎn)生缺陷，或造成難以避免的摻雜，從而形成“非理想”金屬/二維半導體界面，使半導體器件性能無(wú)法達到預期。

為解決這一問(wèn)題，狄增峰團隊和中科院上海技術(shù)物理所研究員胡偉達團隊合作，另辟蹊徑地讓金屬電極先在其他地方“生長(cháng)”，“長(cháng)”成后再把電極“像膠帶一樣‘貼’(轉印)到二維溝道材料上”。

“一方面，轉印技術(shù)不存在這種沖擊的能量，不會(huì )對二維溝道材料造成損傷。”狄增峰說(shuō)，“另一方面，此前人們在轉印前，讓金屬‘長(cháng)’在二氧化硅片上，二氧化硅片雖然看起來(lái)是個(gè)平面，實(shí)際上它的表面有很多‘懸掛鍵’，像手指一樣伸在外面。因此，‘長(cháng)’上去的金屬電極就被這些‘小手指’拉住，轉印前很難把它‘撕’下來(lái)。”

緊接著(zhù)，該團隊再次拓展思路，以鍺基石墨烯晶圓作為預沉積襯底，“生長(cháng)”金屬電極陣列。由于石墨烯沒(méi)有懸掛鍵的勾連，石墨烯與金屬之間只有較弱的范德華作用力，“長(cháng)”在石墨烯上的金屬電極陣列就很容易被“揭”(轉移)下來(lái)。

重要的探索

利用新的轉印技術(shù)，該團隊實(shí)現了任意金屬電極陣列(如銅、銀、金、鉑、鈦和鎳)的無(wú)損轉移，且轉移成功率達到100%。

“以前人們也能做到小面積或數個(gè)器件的轉印。”狄增峰解釋說(shuō)，“現在可以轉印‘金屬電極陣列’，包括一些電路、比較復雜的結構都可以轉印，甚至達到‘晶圓級別’。”

“通過(guò)原子力顯微鏡、截面掃描透射電鏡，我們證明了剝離后的金屬表面呈現無(wú)缺陷的原子級平整。”該論文共同第一作者、中科院上海微系統與信息技術(shù)研究所博士后劉冠宇補充說(shuō)，“而且，銅、銀、金、鉑、鈦和鎳6種金屬電極陣列均可成功轉印至二硫化鉬溝道材料上，形成理想的金屬/半導體界面，并觀(guān)測到理論預測下的肖特基勢壘(金屬/半導體邊界形成的具有整流作用的區域)高度調控行為。”

在進(jìn)一步工作中，研究人員通過(guò)選擇功函數匹配的金屬電極，成功制備出低接觸電阻的二硫化鉬晶體管器件陣列。該晶體管器件陣列具有良好的性能一致性，其開(kāi)關(guān)比超過(guò)106。

“業(yè)界普遍認為，開(kāi)關(guān)比達到106是一個(gè)門(mén)檻。”該論文共同第一作者、中科院上海微系統與信息技術(shù)研究所研究員田子傲說(shuō)，“通常開(kāi)關(guān)比達到106，意味著(zhù)該器件有較好的柵控能力。說(shuō)明用這種技術(shù)轉印出來(lái)的產(chǎn)品，可以高效穩定地工作。”

目前，該技術(shù)可實(shí)現4英寸晶圓轉印，這意味著(zhù)該技術(shù)已經(jīng)達到了“晶圓級別”。

“這項研究有兩個(gè)亮點(diǎn)，一是實(shí)現任意金屬無(wú)損轉印，二是能達到‘晶圓級別’大規模制造。”狄增峰解釋說(shuō)，“晶圓加工時(shí)，內部數億、數十億器件不可能逐個(gè)去加工，只有達到‘晶圓級別’加工，才能讓二維材料集成電路逐步成為現實(shí)。”

制造工藝中，不同功能的二維材料需要有不同種類(lèi)的金屬電極相匹配。石墨烯輔助金屬電極轉印技術(shù)削弱了基底跟金屬電極之間的作用力，因而可以轉移多種金屬。

對此，論文審稿人說(shuō)，“希望(該論文)盡快發(fā)表，讓更多的同行能盡快用上這樣一個(gè)‘普適’(適用于多種金屬轉印)的技術(shù)”。

“目前我們離二維集成電路應用還很遠，但二維材料是未來(lái)‘非硅時(shí)代’集成電路的重要發(fā)展方向。”狄增峰說(shuō)，“該研究為二維集成電路走向應用做出了非常必要的探索。”(作者：張雙虎 )

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