對(duì)于先進(jìn)的電子器件來(lái)說(shuō)，大規(guī)模二維(2D)材料集成到半導(dǎo)體晶圓上是非常需要的，但諸如轉(zhuǎn)移相關(guān)的裂紋、污染、皺折和摻雜等挑戰(zhàn)仍然存在。

在此，來(lái)自國(guó)防科技大學(xué)和北京大學(xué)等單位研究者，采用原子分辨掃描透射電子顯微鏡結(jié)合密度泛函理論計(jì)算，展示了Ca和Si等價(jià)摻雜共偏析引起α-Al2O3中的GB結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。相關(guān)論文以題為“Integrated wafer-scale ultra-flat graphene by gradient surfaceenergy modulation”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-33135-w

將二維(2D)材料集成到當(dāng)前的硅技術(shù)中，可以將高遷移率、懸空無(wú)帶接口、原子尺度通道尺寸嵌入實(shí)際的電子和光電器件中。注意，一個(gè)必要的前提是將二維材料從其生長(zhǎng)基板轉(zhuǎn)移到工業(yè)晶圓上。然而，在二維材料的晶圓級(jí)單晶生長(zhǎng)方面，傳質(zhì)方法還存在著很大的差距，這阻礙了近年來(lái)在二維材料晶圓級(jí)單晶生長(zhǎng)方面的進(jìn)展。通常，濕轉(zhuǎn)移方法通常使用聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)薄膜作為轉(zhuǎn)移介質(zhì)，以支持二維材料從生長(zhǎng)基板分離，并從液體表面舀到目標(biāo)基板。對(duì)于石墨烯，由于石墨烯表面的水吸附而引入的裂紋、皺紋、聚合物污染和水摻雜，濕轉(zhuǎn)移方法可能會(huì)顯著降低其性能。這些因素作為額外的散射中心，限制了載波遷移率，降低了設(shè)備性能。

為了克服這些問(wèn)題，以往的嘗試表明，優(yōu)化PMMA和用小分子或其他聚合物替換PMMA將促進(jìn)清潔的石墨烯轉(zhuǎn)移，與目標(biāo)基板的共形接觸可以減少裂紋和皺紋的形成，而發(fā)展干轉(zhuǎn)移方法可以通過(guò)防止目標(biāo)基板浸入液體中來(lái)減少水摻雜。然而，到目前為止，還沒(méi)有任何方法能完全解決這些問(wèn)題，而且大多數(shù)方法都不能與晶圓級(jí)的高容量半導(dǎo)體技術(shù)兼容。

在此，根據(jù)薄膜黏附理論，薄膜從一層到另一層的轉(zhuǎn)移主要取決于每層表面能的差異，研究者設(shè)計(jì)了一種具有梯度表面能分布的多功能三層轉(zhuǎn)移介質(zhì)。在這種情況下，目標(biāo)基板的表面能越高，由于在界面處有更好的潤(rùn)濕性和更大的粘附強(qiáng)度，它作為薄膜“受體”的作用就越好。因此，轉(zhuǎn)移介質(zhì)和目標(biāo)基板的表面能應(yīng)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，以確保可靠的粘附和釋放，這是確保晶圓尺度二維材料集成的關(guān)鍵特征。因此，梯度表面能(GSE)調(diào)制方法有助于將4英寸單晶超平石墨烯集成到硅晶片上。轉(zhuǎn)移后的石墨烯晶圓保持其平整度，表面完整、干凈，水摻雜微乎其微。因此，得到的晶圓級(jí)石墨烯在4英寸的面積上具有均勻的薄片電阻，誤差只有約6%。石墨烯在SiO2/Si上的轉(zhuǎn)移表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能，室溫下狄拉克點(diǎn)更小，載流子遷移率更高。在室溫下，在SiO2/Si上轉(zhuǎn)移的石墨烯中也觀察到量子霍爾效應(yīng)(QHE)，在1.7 K時(shí)，被h-BN封裝的轉(zhuǎn)移石墨烯中記錄到分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)(FQHE)，其高遷移率可達(dá)約280,000 cm2 V?1 s?1。此外，在4英寸石墨烯/硅晶圓上制備的集成熱發(fā)射器陣列在近紅外區(qū)顯示出顯著的廣譜發(fā)射。

圖1 梯度表面能調(diào)制的晶圓級(jí)石墨烯集成。

圖2 轉(zhuǎn)移石墨烯的均勻性。

圖3 轉(zhuǎn)移石墨烯的電學(xué)性質(zhì)。

圖4 晶圓級(jí)石墨烯熱發(fā)射器的集成與輻射特性。

綜上所述，研究者成功地開(kāi)發(fā)了一種與當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)兼容的硅片尺度石墨烯集成的通用方法。物理粘附模型和數(shù)據(jù)揭示了梯度表面能，在晶圓級(jí)石墨烯轉(zhuǎn)移中的重要性，使轉(zhuǎn)移過(guò)程中可靠的粘附和釋放。因此，獲得了具有保留固有特性的4英寸無(wú)損傷石墨烯，有助于在4英寸面積上形成均勻的電阻，誤差約為6%。

與傳統(tǒng)的PMMA轉(zhuǎn)移石墨烯相比，轉(zhuǎn)移的石墨烯由于可以忽略的摻雜水平和更少的散射中心而提高了電性能。用石墨烯在SiO2/Si上制備的霍爾桿器件具有小的狄拉克點(diǎn)和高的載流子遷移率(高達(dá)~ 10000 cm2 V?1 s?1)，可以在室溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)(QHE)。總之，所提出的方法，可作為其他固有二維材料集成的通用方法，如h-BN和2D MoS2在晶圓水平上的集成，為集成高性能電子和光電子的發(fā)展鋪平道路。

審核編輯 ：李倩