近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室狄增峰研究團隊基於鍺基石墨烯襯底開發出晶圓級金屬電極陣列轉印技術，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展。5月23日，相關研究成果以Graphene-assisted metal transfer printing for wafer-scale integration of metal electrodes and two-dimensional materials為題，發表在《自然-電子學》（Nature Electronics）上。
基於新結構和新原理的二維半導體器件展現出廣泛的應用前景，有望解決矽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體先進位程中顯得過分脆弱。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/二維半導體界面，使二維半導體器件實際性能與預期性能存在差異。因此，針對高性能二維半導體器件研製，亟需發展一種具有普適性的電極製作工藝，能夠實現任意金屬與二維材料的高質量歐姆或肖特基接觸。
上海微系統所狄增峰研究團隊與合作者，報導了一種石墨烯輔助金屬電極轉印技術。該技術以鍺基石墨烯晶圓作為預沉積襯底生長金屬電極陣列，並利用石墨烯與金屬之間較弱的范德華作用力，實現了任意金屬電極陣列（如銅、銀、金、鉑、鈦和鎳）無損轉移，轉移成功率達到100%，轉移面積達到4英寸。原子力顯微鏡、截面掃描透射電鏡證明了剝離後的金屬表面呈現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印至二硫化鉬（MoS2）溝道材料上，形成理想的金屬/半導體界面，並觀測到理論預測下的肖特基勢壘高度調控行為。進一步，研究通過選擇功函數匹配的金屬電極，製備出低接觸電阻的MoS2電晶體器件陣列。MoS電晶體器件陣列具有良好的性能一致性，開關比超過2 106。
隨著集成電路逐步進入非矽時代，開發適用於二維材料的半導體先進位程工藝需求頗為迫切。研究報導的石墨烯輔助金屬電極陣列轉印技術和晶圓級范德華接觸陣列，有望廣泛應用於高性能二維材料器件和電路製造，為新一代范德華集電路的實現提供技術可行路徑。
韓國蔚山科學技術院科研人員同期在Nature Electronics上發表評論文章（Integrating 2D materials and metal electrodes）評價道，「石墨烯輔助金屬轉移技術提供了一個可靠的製造晶圓級范德華金屬-半導體接觸的平台，有望應用於高性能電子和光電子器件的開發」。
研究工作得到科技部、國家自然科學基金委員會、中科院、上海市科學技術委員會等的支持。中科院上海技術物理所科研人員參與研究。
圖1.a、石墨烯輔助金屬轉印技術流程；b、4英寸金電極轉印陣列照片
圖2.a、批量製備的銀轉移電極MoS2背柵場效應電晶體陣列照片；b、10×10電晶體陣列開關比統計結果；c、銀轉移電極MoS2背柵場效應電晶體轉移特性；d、銀轉移電極MoS2背柵場效應電晶體輸出特性曲線
來源：中國科學院上海微系統與信息技術研究所
