晶体管-石墨烯辅助金属转移印刷用于金属电极和二维材料的晶圆级集成

研究背景

金属-半导体结是电子和光电子器件中必不可少的元件。对于二维半导体，传统的离子轰击金属沉积会导致化学无序和费米能级钉扎。因此，已经开发出转移印刷技术，其中金属电极被预沉积并转移以形成范德华结，但金属电极的预沉积在基底上产生化学键，这使得后续转移困难。随着2D半导体在电子和光电子设备中越来越普遍，开发一种可扩展、通用和晶圆规模的金属转移技术至关重要。

创新点

中国科学院上海微系统与信息技术研究所的Zengfeng Di课题组报道了一种石墨烯辅助金属转移印刷工艺，该工艺可用于在二维材料和三维金属电极之间形成范德华接触。由于范德华力较弱且无悬挂键，具有弱（铜、银和金）和强（铂、钛和镍）粘附强度的金属电极阵列可以从四英寸石墨烯晶片上分层，并转移印刷到不同的基板上（石墨烯、二硫化钼和二氧化硅）。使用这种方法来创建具有不同印刷金属电极的二硫化钼场效应晶体管，从而可以调整肖特基势垒高度并形成欧姆和肖特基接触。

文章解析

图1：石墨烯辅助金属转移印花工艺的图解和光学图像。（a）六种不同的金属沉积在晶圆级Gr/Ge基板上；（b）使用晶圆级PVA膜（左）对金属图案进行物理剥离，并将对应于金图案的照片转移到四英寸PVA膜（右）；（c）在目标基板上打印金属图案；（d）通过在水中溶解去除PVA（左），并将对应于金图案的照片转移到四英寸SiO2晶片上。插图显示了转移的Au阵列的光学图像（右）。（e）弱粘附金属（包括Cu、Ag和Au）在SiO2上的转移。（f）在SiO2上转移强粘附金属，包括Pt、Ti和Ni。（g）通道长度为4 μm、2 μm和400 nm的金电极的原子力显微镜图像。

图2：转移到不同基板上的Au图案。a–c，将Au转移到SiO2（a）、Gr/SiO2（b）和MoS2/SiO2（c）基板上的示意图。d–f，在SiO2（d）、Gr/SiO2（e）和MoS2/SiO2（f）衬底上转移的Au图案的光学图像。g–i，具有转移Au图案的SiO2（g）、Gr/SiO2（h）和MoS2 /SiO2（i）基板的2D拉曼映射图像。

图3：具有vdW集成3D金属的MoS2晶体管的接触特性。a、带转移触点的背栅MoS2器件的原理图和电路图。b、具有不同转移金属触点的MoS2晶体管的Ids–Vbg转移曲线。c、 金属/MoS2接触界面的能带图。d–h、当Vbg=60 V时，使用不同沟道长度的转移Ag（d）、Cu（e）、Au（f）、Ni（g）和Pt（h）电极的MoS2晶体管的Ids–Vds输出曲线。i、MoS2晶体管与不同转移金属电极的接触电阻总结。

图4：带有转移银触点的MoS2背栅FET阵列的电气特性。a、在1×1 cm SiO2衬底上批量制作的MoS2背栅FET阵列的照片。b、MoS2背栅FET阵列的光学图像。c、单个MoS2背栅FET的光学图像。d、单个背栅FET器件的传输特性。e、不同栅偏压（Vg）下单个背栅FET器件的输出特性。f、从10×10背栅FET器件的传输曲线中提取的通断比直方图。g、10×10背栅FET器件的开关比映射。

读后感

在这项工作中，报道了一种晶圆级石墨烯辅助转移印刷技术，用于在2D材料和3D金属电极之间制造高质量vdW触点，产率接近100%。这种方法避免了在传统金属沉积中使用的高能离子或粒子轰击过程中引入通常在2D材料中产生的缺陷，以及避免在强粘附金属和基底之间形成化学键。这一技术有望广泛应用于高性能二维材料器件和电路制造，为新一代范德华集成电路的实现提供技术可行路径。

【参考文献】

https://www.nature.com/articles/s41928-022-00764-4