■本報(bào)記者 張雙虎 ■黃辛

盡管芯片制程已經(jīng)一步步逼近物理極限，人們對(duì)集成電路性能和尺寸的要求卻絲毫沒有降低。基于新結(jié)構(gòu)、新原理的二維半導(dǎo)體器件以其獨(dú)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(jí)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(dǎo)致器件實(shí)際性能與預(yù)期存在巨大差異。

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員狄增峰團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出一種石墨烯輔助金屬電極轉(zhuǎn)印技術(shù)。該技術(shù)以鍺基石墨烯晶圓作為預(yù)沉積襯底“生長(zhǎng)”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(shí)現(xiàn)了任意金屬電極陣列的“撕下來”和“貼上去”——無損轉(zhuǎn)移，且轉(zhuǎn)移成功率達(dá)到100%。

該技術(shù)對(duì)二維材料工藝路徑進(jìn)行了探索，可能推開通向二維芯片應(yīng)用新世界的大門。5月23日，相關(guān)研究以封面文章形式在《自然—電子學(xué)》上發(fā)表。

材料“降維” 功能升級(jí)

操控不同的原子一個(gè)個(gè)堆疊起來，并得到想要的材料，一直是材料學(xué)家的夢(mèng)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(gè)原子層、電子僅可在兩個(gè)維度自由運(yùn)動(dòng)的材料）的應(yīng)用帶來了希望。二維材料電子遷移和熱量擴(kuò)散被限制在平面之內(nèi)，因而展現(xiàn)出三維材料沒有的特性。

不同的二維材料晶體結(jié)構(gòu)各異，因此呈現(xiàn)不同的電學(xué)或光學(xué)特性，在光電器件、熱電器件、仿生器件、光電探測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ胁牧蠈W(xué)家預(yù)言，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(shí)大大降低制造成本。

“二維材料有很多獨(dú)特的性能，但它在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些加工難題。”狄增峰告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“隨著集成電路逐步進(jìn)入‘非硅時(shí)代’，開發(fā)適用于二維材料的半導(dǎo)體先進(jìn)制程工藝的需求非常迫切。”

電極“生長(zhǎng)”難題

電極是集成電路的基礎(chǔ)，任何電子器件、電路都通過電極連接實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。

在集成電路制造工藝中，常規(guī)的電極“生長(zhǎng)”技術(shù)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(duì)于超薄的二維溝道材料來說，濺射離子轟擊會(huì)對(duì)材料造成損傷，導(dǎo)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(dǎo)體界面，使半導(dǎo)體器件性能無法達(dá)到預(yù)期。

為解決這一問題，狄增峰團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員胡偉達(dá)團(tuán)隊(duì)合作，另辟蹊徑地讓金屬電極先在其他地方“生長(zhǎng)”，“長(zhǎng)”成后再把電極“像膠帶一樣‘貼’（轉(zhuǎn)�。┑蕉�維溝道材料上”。

“一方面，轉(zhuǎn)印技術(shù)不存在這種沖擊的能量，不會(huì)對(duì)二維溝道材料造成損傷。”狄增峰說，“另一方面，此前人們?cè)谵D(zhuǎn)印前，讓金屬‘長(zhǎng)’在二氧化硅片上，二氧化硅片雖然看起來是個(gè)平面，但它的表面有很多‘懸掛鍵’，像手指一樣伸在外面。因此，‘長(zhǎng)’上去的金屬電極會(huì)被這些‘小手指’拉住，轉(zhuǎn)印前很難把它‘撕’下來。”

緊接著，該團(tuán)隊(duì)再次拓展思路，以鍺基石墨烯晶圓作為預(yù)沉積襯底，“生長(zhǎng)”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(zhǎng)”在石墨烯上的金屬電極陣列很容易被“撕”（轉(zhuǎn)移）下來。

達(dá)到“晶圓級(jí)別”加工

利用新的轉(zhuǎn)印技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)實(shí)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(dá)到100%。

“以前人們也能做到小面積或數(shù)個(gè)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)都可以轉(zhuǎn)印，甚至達(dá)到‘晶圓級(jí)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(jí)平整。”該論文共同第一作者、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士后劉冠宇說，“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(dǎo)體界面，并觀測(cè)到理論預(yù)測(cè)下的肖特基勢(shì)壘（金屬/半導(dǎo)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(jìn)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(guān)比超過106。

“業(yè)界普遍認(rèn)為，開關(guān)比達(dá)到106是一個(gè)門檻。”該論文共同第一作者、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員田子傲說，“這意味著該器件有較好的柵控能力，說明用這種技術(shù)轉(zhuǎn)印出來的產(chǎn)品，可以高效穩(wěn)定地工作。”

目前，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)4英寸晶圓轉(zhuǎn)印，這意味著該技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了“晶圓級(jí)別”。

“這項(xiàng)研究有兩個(gè)亮點(diǎn)，一是實(shí)現(xiàn)任意金屬無損轉(zhuǎn)印，二是能達(dá)到‘晶圓級(jí)別’大規(guī)模制造。”狄增峰解釋說，“晶圓加工時(shí)，內(nèi)部數(shù)億、數(shù)十億器件不可能逐個(gè)去加工，只有達(dá)到‘晶圓級(jí)別’加工，才能讓二維材料集成電路逐步成為現(xiàn)實(shí)。”

制造工藝中，不同功能的二維材料需要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(shù)削弱了基底與金屬電極之間的作用力，因而可以轉(zhuǎn)移多種金屬。

對(duì)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(gè)‘普適’（適用于多種金屬轉(zhuǎn)印）的技術(shù)”。

“目前我們離二維集成電路應(yīng)用還很遠(yuǎn)，但二維材料是未來‘非硅時(shí)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(yīng)用做出了非常必要的探索。”