据悉，近日，中科院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室狄增峰研究团队基于锗基石墨烯衬底开发出晶圆级金属电极阵列转印技术，在二维材料与金属电极的大面积无损范德华集成研究方面取得进展。相关工作于2022年5月23日以“Graphene-assisted metal transfer printing for wafer-scale integration of metal electrodes and two-dimensional materials”为题发表于Nature Electronics。

 

基于新结构和新原理的二维半导体器件展现出广泛的应用前景，有望解决硅基器件在极限尺寸下面临的问题。然而，二维材料原子级厚度使其在半导体先进制程中显得过分脆弱。特别在金属电极生长工艺中，溅射离子轰击、残留化学污染、较高工艺温度等因素都极易对二维材料造成损伤或者无意掺杂，形成非理想金属/二维半导体界面，使得二维半导体器件实际性能与预期性能存在巨大差异。因此，针对高性能二维半导体器件研制，亟需发展一种具有普适性的电极制作工艺，能够实现任意金属与二维材料的高质量欧姆或者肖特基接触。

 

针对上述问题，上海微系统所狄增峰研究团队通过合作研究，报道了一种石墨烯辅助金属电极转印技术。该技术以锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底生长金属电极阵列，并利用石墨烯与金属之间较弱的范德华作用力，实现了任意金属电极阵列(例如：铜、银、金、铂、钛和镍)无损转移，转移成功率达到100%，转移面积达到4英寸。原子力显微镜、截面扫描透射电镜证明了剥离后的金属表面呈现无缺陷的原子级平整。铜、银、金、铂、钛和镍六种金属电极阵列均可以成功转印至二硫化钼（MoS2）沟道材料上，形成理想的金属/半导体界面，并观测到理论预测下的肖特基势垒高度调控行为。进一步，通过选择功函数匹配的金属电极，成功制备出低接触电阻的MoS2晶体管器件阵列。MoS2晶体管器件阵列具有良好的性能一致性，开关比超过106。

 

随着集成电路逐步进入非硅时代，开发适用于二维材料的半导体先进制程工艺需求非常迫切。研究报道的石墨烯辅助金属电极阵列转印技术和晶圆级范德华接触阵列，有望广泛应用于高性能二维材料器件和电路制造，为新一代范德华集电路的实现提供技术可行路径。

 

韩国蔚山科学技术院Soon-Yong Kwon教授同期在Nature Electronics上发表题为“Integrating 2D materials and metal electrodes”的评论文章，高度评价道：“石墨烯辅助金属转移技术提供了一个可靠的制造晶圆级范德华金属-半导体接触的平台，有望应用于高性能电子和光电子器件的开发”（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）。

 

中科院上海微系统与信息技术研究所刘冠宇博士后和田子傲研究员为论文共同第一作者，中科院上海微系统与信息技术研究所狄增峰研究员和中科院上海技术物理所胡伟达研究员为共同通讯作者。中科院上海微系统与信息技术研究所是论文工作的第一完成单位。研究工作获得科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、上海市科委等项目的大力支持。

 

论文链接：http://www.nature.com/articles/s41928-022-00764-4

 

评论文章链接：http://www.nature.com/articles/s41928-022-00770-6

图1. （a）石墨烯辅助金属转印技术流程；（b）4英寸金电极转印阵列照片。