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
金属-半导体结是电子和光电子器件的重要组成部分。对于二维半导体，通过离子轰击的常规金属沉积会导致化学无序和费米能级钉扎(FLP)。转移印刷技术——将金属电极预先沉积并转移以形成范德华(vdW)结——因此得到了发展，但是金属电极的预沉积会在基底上形成化学键，这使得后续的转移变得困难。
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰研究员与中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员等人合作，报告了一种石墨烯辅助金属转移印刷工艺(graphene-assisted metal transfer printing process)，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。研究表明，由于范德华力较弱且没有悬垂键，具有弱附着力(铜、银和金)和强附着力(铂、钛和镍)的金属电极阵列可以从4英寸的石墨烯薄片上分层，并将其打印到不同的基底上(石墨烯、二硫化钼和二氧化硅)。研究者使用这种方法制作了带有不同金属电极的二硫化钼场效应晶体管，使肖特基势垒高度得以调谐，并形成欧姆和肖特基触点。研究者还演示了具有均匀电特性的二硫化钼晶体管阵列的批量处理。相关工作以“Graphene-assisted metal transfer printing for wafer-scale integration of metal electrodes and two-dimensional materials”为题发表在最新一期的《Nature Electronics》。
图1. 石墨烯辅助金属转移印刷工艺的示意图和光学图像。
【石墨烯辅助金属转移印刷】
石墨烯辅助金属转移印刷技术利用二维材料上的vdW表面来创造独立的金属薄膜。与报道的SiO2作为中间基板的转印技术相比，Gr/Ge基板所提供的vdW表面使弱粘附金属(如Cu、Ag和Au)和强粘附金属(如Pt、Ti和Ni)的转移得以实现。由于石墨烯的vdW表面没有悬垂键，没有形成界面产物，Ti/Gr/Ge界面非常锋利。Ti和石墨烯之间微弱的vdW相互作用导致了较高的转移率。由于石墨烯辅助金属转移印刷工艺与传统的侵略性沉积相比是相当温和的，可以避免对脆弱的2D材料的损伤。
从图1e、f中可以看出，石墨烯辅助金属转移印刷工艺可以将不同的金属，包括弱粘附金属(Cu、Ag、Au)和强粘附金属(Pt、Ti、Ni)转移到SiO2基底上。无论采用何种金属类型，直径为20 μm的10 × 10圆图案的转移率均可达100%，验证了该技术的通用性。为了说明这种工艺在制作短通道晶体管方面的潜力，研究者设计并制作了三种不同的通道长度，即4 μm、2 μm和400 nm(图1g)。
图2. 转移到不同基底上的金图案。
【与2D材料的vdW集成】
除了传统的3D衬底，金属图案也可以转移到2D衬底上，如石墨烯和MoS2。由5 μm宽的Au带组成的整个图案(字母'SIMIT')被成功地转移到SiO2、石墨烯和MoS2衬底上(分别如图2d-f所示)。Au的'SIMIT'模式在三种不同衬底上的完全转移也可以通过共焦拉曼映射来验证。当石墨烯等二维材料被高能原子或簇轰击时，金属电极沉积后很容易产生晶格缺陷，相比之下，石墨烯辅助金属转移打印技术是非侵入性的，像石墨烯这样的2D材料可以在不产生缺陷的情况下进行加工。
图3. MoS2晶体管与集成vdW的3D金属的接触特性。
【集成vdW的MoS2晶体管的电性能】
在物理转移的金属接触面与无悬吊键的二维半导体表面之间可以形成近似理想的界面，通过选择具有不同功函数的金属，可以调谐二维半导体上集成vdW的三维金属触点的肖特基势垒高度，同时获得欧姆触点和肖特基触点。为了演示，研究者采用背门控几何结构制备了具有5种不同金属触点的多层MoS2晶体管。与沉积金属电极相比，MoS2背门控晶体管具有更高的通态电流和更高的亚阈值摆幅值。对于Ag、Cu、Au、Ni和Pt电极，无论金属类型如何，多层MoS2通道均表现出明显的n型特征。此外，除了实现欧姆接触和肖特基接触行为外，MoS2的接触电阻可以通过选择不同的金属触点进行微调，这为器件性能设计提供了很高的灵活性，并可应用于其他具有不同带结构的二维材料。
图4. 带有转移Ag触点的MoS2反向门控FET阵列的电学特性。
【MoS2晶体管阵列的批量处理】
利用这种石墨烯辅助金属转移印刷技术，对通过批量处理制备的MoS2基晶体管的均匀性进行了评估。图4a、b显示了270多个反向门控晶体管的照片和光学图像。所有器件都具有相同的几何形状，具有15-μm长，10-μm宽的通道。图4d,e显示了单个MoS2设备的传输和输出特性。转换曲线表现出明显的n型特征，具有较高的开/关比(>106)。输出曲线呈线性，表明良好的欧姆接触。研究者认为，通过石墨烯辅助金属转移印刷获得的高质量的vdW Ag/MoS2触点是其出色的批处理性能的原因。
【小结】
这项工作报道了一种晶圆级石墨烯辅助转移打印技术，用于在2D材料和3D金属电极之间制造高质量的vdW接触，其成品率接近100%。通过将金属电极沉积在4英寸的石墨烯薄片上，弱粘附金属(Cu、Ag和Au)和强粘附金属(Pt、Ti和Ni)都可以容易地分层并转移到SiO2、石墨烯和MoS2衬底上。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2D材料中常见的缺陷，也避免了在强粘附金属和基体之间形成化学键。利用石墨烯辅助金属转移印刷方法，研究者通过选择不同的金属，创建了接触电阻可调的MoS2触点，以及欧姆和肖特基触点。研究者还创建了具有统一电性能的MoS2晶体管阵列。