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在晶圆尺度上集成金属电极和2D材料的转移印刷技术
2022年06月21日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

金属-半导体结,即金属与半导体材料连接的电结,是许多电子和光电子器件的关键部件。虽然它们现在在世界范围内广泛生产和使用,但要创建集成传统金属和2D半导体的高质量结可能很困难。

事实上,当应用于2D材料时,传统的金属沉积技术(需要一个称为离子轰击的过程)可能会导致化学无序。此外,现有的转移印刷技术涉及2D材料表面上金属电极的预沉积和转移,但由于在基板上形成化学键,阻碍了电极的转移,因此其性能较差。

中国科学院、湖南大学、香港城市大学和复旦大学的研究人员最近开发了一种新技术,可用于更有效地在2D材料上转移金属电极,从而开发出更可靠的金属-半导体结。这项技术发表在《自然电子》(Nature Electronics)上的一篇论文中,它需要将金属电极阵列从石墨烯晶片上剥离,然后将其转移到不同的2D材料上。

“2013年,我们首次报道,连续石墨烯单分子膜可以通过CVD直接在半导体Ge(001)表面生长,这与传统的金属系统有很大的不同,”执行该研究的研究员之一曾凤迪告诉TechXplore。“由于本征锗在低于10K的温度下的绝缘性能,我们在没有石墨烯从锗基板转移到SiO2基板的情况下,在锗基板上进行了石墨烯介导的金属纳米岛/石墨烯杂化超导电性的研究。”

在进行之前的研究时,Di和他的同事们意识到,当沉积在石墨烯上时,金属很容易剥离。钛或镍也是如此,它们通常很难从传统二氧化硅基底上剥离。

在最近的研究中,该团队使用他们的技术将六种不同的金属沉积到晶圆级石墨烯/锗施主基板上。这包括弱粘附金属,即铜、银和金,以及强粘附金属,即铂、钛和镍。

“弱粘附金属和强粘附金属都容易分层,”Di解释道。“我们的可扩展、通用和晶圆级金属转移技术可用于在二维半导体和三维金属之间创建范德华接触,这对于开发二维电子和光电子设备至关重要。”

研究人员在2D材料上集成金属电极的方法有几个步骤。首先,它需要在石墨烯/锗基板上沉积金属电极阵列。由于石墨烯没有悬空键,因此可以使用聚合物膜轻松地将阵列从基板表面剥离。

Di说:“用去离子水去除聚合物膜后,晶圆级3D金属图案可以转移到任意目标上。”。“与以前使用二氧化硅基板的转移打印方法相比,我们可以100%的转移任意金属,并将转移技术扩展到晶圆尺寸。”

Di和他的同事开发的方法是通用的,可以用来在各种2D半导体和3D金属之间形成范德华接触。在未来,它可以用来实现新型范德华集成电路。

“实际批量生产2D设备的先决条件是可靠的大规模生产能力,”Di说。“利用石墨烯辅助的金属转移印刷方法,我们制作了MoS2晶体管阵列,该阵列显示出均匀的电气特性以及良好的通/断电流比、通电流和亚阈值摆幅平均值。”

根据他们进行的初步测试,Di和他的同事认为,他们的石墨烯辅助金属转移方法是大规模制造基于2D材料的集成电路的可靠解决方案。在接下来的研究中,他们计划开始使用他们的技术开发电子和光电设备的特定组件,以进一步评估其有效性。

“除了一个简单的2D晶体管之外,我们还使用这种技术来制造基本的2D逻辑单元,包括AND-OR、NOR和AND门,”Di补充道。“此外,应通过优化工艺和提高石墨烯/锗基板的可重用性,进一步降低我们方法的成本。”

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