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有降低?；谛陆Y(jié)構(gòu)、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，加工制造過程中極易造成材料損傷或摻雜，從而導致器件實際性能與預期存在巨大差異。

近日，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室研究員狄增峰團隊，開發(fā)出一種石墨烯輔助金屬電極轉(zhuǎn)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，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)，實現(xiàn)了任意金屬電極陣列的無損轉(zhuǎn)移，且轉(zhuǎn)移成功率達到100%。

該技術對二維材料工藝路徑進行了探索，或?qū)⑼崎_通向二維芯片應用新世界的大門。5月23日晚，相關研究以封面文章形式在《自然—電子學》上發(fā)表。

材料“降維”功能升級

操控不同的原子一個個堆疊起來，得到想要的材料，一直是材料學家的夢想之一。

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

不同的二維材料晶體結(jié)構(gòu)各異，因此出現(xiàn)不同的電學或光學特性，使其在光電器件、熱電器件、仿生器件、光電探測等領域展現(xiàn)巨大的發(fā)展?jié)摿?。有材料學家預言，在未來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大大降低制造成本。

“二維材料有很多獨特的性能，但它在實際應用中也面臨一些加工難題。”狄增峰告訴《中國科學報》，“隨著集成電路逐步進入‘非硅時代’，開發(fā)適用于二維材料的半導體先進制程工藝需求非常迫切。”

電極“生長”難題

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

在集成電路制造工藝中，常規(guī)的電極“生長”技術是將金屬原子束“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說，濺射離子轟擊會對材料造成損傷，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法達到預期。

為解決這一問題，狄增峰團隊和中科院上海技術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”，“長”成后再把電極“像膠帶一樣‘貼’(轉(zhuǎn)印)到二維溝道材料上”。

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

緊接著，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”金屬電極陣列。由于石墨烯沒有懸掛鍵的勾連，石墨烯與金屬之間只有較弱的范德華作用力，“長”在石墨烯上的金屬電極陣列就很容易被“揭”(轉(zhuǎn)移)下來。

重要的探索

利用新的轉(zhuǎn)印技術，該團隊實現(xiàn)了任意金屬電極陣列(如銅、銀、金、鉑、鈦和鎳)的無損轉(zhuǎn)移，且轉(zhuǎn)移成功率達到100%。

“以前人們也能做到小面積或數(shù)個器件的轉(zhuǎn)印。”狄增峰解釋說，“現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)印‘金屬電極陣列’，包括一些電路、比較復雜的結(jié)構(gòu)都可以轉(zhuǎn)印，甚至達到‘晶圓級別’。”

“通過原子力顯微鏡、截面掃描透射電鏡，我們證明了剝離后的金屬表面呈現(xiàn)無缺陷的原子級平整。”該論文共同第一作者、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所博士后劉冠宇補充說，“而且，銅、銀、金、鉑、鈦和鎳6種金屬電極陣列均可成功轉(zhuǎn)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(qū)域)高度調(diào)控行為。”

在進一步工作中，研究人員通過選擇功函數(shù)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，其開關比超過106。

“業(yè)界普遍認為，開關比達到106是一個門檻。”該論文共同第一作者、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員田子傲說，“通常開關比達到106，意味著該器件有較好的柵控能力。說明用這種技術轉(zhuǎn)印出來的產(chǎn)品，可以高效穩(wěn)定地工作。”

目前，該技術可實現(xiàn)4英寸晶圓轉(zhuǎn)印，這意味著該技術已經(jīng)達到了“晶圓級別”。

“這項研究有兩個亮點，一是實現(xiàn)任意金屬無損轉(zhuǎn)印，二是能達到‘晶圓級別’大規(guī)模制造。”狄增峰解釋說，“晶圓加工時，內(nèi)部數(shù)億、數(shù)十億器件不可能逐個去加工，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(xiàn)實。”

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

對此，論文審稿人說，“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‘普適’(適用于多種金屬轉(zhuǎn)印)的技術”。

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

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