一种在晶圆级上集成金属电极和二维材料的转移印刷技术

金属-半导体结，即金属与半导体材料连接的电结，是众多电子和光电器件的关键组件。虽然它们现在在全球范围内广泛生产和使用，但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，当应用于二维材料时，传统的金属沉积技术需要一个称为离子轰击的过程，可能会导致化学紊乱。此外，现有的转移印刷技术，包括在2D材料表面上预沉积和转移金属电极，由于在基板上为预沉积而产生的化学键阻碍了电极的转移。

科学院、湖南大学、城市大学和复旦大学的研究人员最近开发了一种新技术，可以更有效地在二维材料上转移金属电极，从而开发出更可靠的金属-半导体结。这项技术在NatureElectronics上发表的一篇论文中进行了介绍，它需要将金属电极阵列从石墨烯晶片上剥离，然后将它们转移印刷到不同的2D材料上。

“在2013年，我们第一次报道了连续石墨烯单层可以通过CVD直接在半导体Ge(001)表面上生长，这与传统的金属系统有很大不同，”执行该研究的研究人员之一增丰迪说。研究，告诉TechXplore。“由于本征Ge在10K以下的绝缘特性，我们在Ge衬底上的金属纳米岛/石墨烯杂化物中进行了石墨烯介导的超导性研究，没有石墨烯从Ge衬底转移到SiO2衬底。”

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，金属很容易被剥离。钛或镍也是如此，它们通常很难从传统的二氧化硅基材上剥离。

在他们最近的研究中，该团队使用他们的技术将六种不同种类的金属沉积到晶圆级石墨烯/锗供体基板上。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。

具有转移的Ag触点的MoS2背栅FET阵列的电气特性。a，在1×1cmSiO2衬底上批量制造的MoS2背栅FET阵列的光学图像。b，10×10背栅FET器件的开/关比映射。c，单个背栅FET器件的传输特性。d，单个背栅FET器件的输出特性。信用：刘等人。

“弱粘附金属和强粘附金属都容易分层，”Di解释说。“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设备至关重要。”

研究人员在二维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薄膜轻松地将阵列从基板表面剥离。

“用去离子水去除聚合物薄膜后，晶圆级3D金属图案可以转移到任意目标上，”Di说。“与以前使用二氧化硅基板的转移印刷方法相比，我们可以以100%的良率转移任意金属，并将转移技术扩大到晶圆尺寸。”

Di和他的同事开发的方法是通用的，可用于在各种2D半导体和3D金属之间形成范德华接触。未来可用于实现新型范德华集成电路。

“二维设备实际批量生产的先决条件是可靠的大规模生产能力，”迪说。“通过石墨烯辅助金属转移印刷方法，我们创建了MoS2晶体管阵列，该阵列显示出均匀的电气特性和良好的开/关电流比、导通电流和亚阈值摆动平均值。”

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基于2D材料大规模制造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来开发用于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，我们正在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补充说。“此外，我们的方法的成本应该通过优化工艺和提高石墨烯/Ge基板的可重复使用性来进一步降低。”

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