石墨烯材料探路二維材料“新世界”

盡管芯片制程已經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。基于新結構、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，開發出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，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），實現了任意金屬電極陣列的無損轉移，且轉移成功率達到100%。

該技術對二維材料工藝路徑進行了探索，或將推開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現為二維材料（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，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巨大的發展潛力。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復雜的功能。

在集成電路制造工藝中，常規的電極“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’（轉印）到二維溝道材料上”。

“一方面，轉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”（轉移）下來。

重要的探索

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

“以前人們也能做到小面積或數個器件的轉印。”狄增峰解釋說，“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域）高度調控行為。”

在進一步工作中，研究人員通過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，其開關比超過106。

“業界普遍認為，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。說明用這種技術轉印出來的產品，可以高效穩定地工作。”

目前，該技術可實現4英寸晶圓轉印，這意味著該技術已經達到了“晶圓級別”。

“這項研究有兩個亮點，一是實現任意金屬無損轉印，二是能達到‘晶圓級別’大規模制造。”狄增峰解釋說，“晶圓加工時，內部數億、數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印技術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，“希望（該論文）盡快發表，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。”