近日，我校合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心曾華凌教授、物理學(xué)院喬振華教授和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院邵翔教授在二維電學(xué)器件范德華接觸研究中取得新進展，展示了一種制備二維電學(xué)器件的“全堆疊”技術(shù)，優(yōu)化了二維材料與金屬電極之間的界面接觸，為二維電學(xué)器件的制備提供了一種高效、高質(zhì)量且高穩(wěn)定性的普適方法。相關(guān)研究成果于5月30日以“reliable wafer-scale integration of two-dimensional materials and metal electrodes with van der waals contacts”為題在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上(nat. commun.15:4619(2024))。
在二維電學(xué)器件制備的常規(guī)工藝中，金屬電極的蒸鍍是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。蒸發(fā)的高能量金屬原子在沉積到二維材料表面的過程中極易造成其晶格損傷，從而引入大量缺陷，在影響電極/二維材料界面電學(xué)接觸的同時，導(dǎo)致嚴(yán)重的費米釘扎效應(yīng)，最終影響器件的電學(xué)性能。因此，實現(xiàn)二維材料和金屬電極間的可靠電學(xué)接觸成為了改善二維電學(xué)器件性能的關(guān)鍵問題。近年來的研究表明，對于二維電學(xué)器件，邊緣接觸是一種理想的電學(xué)接觸模式，但其技術(shù)難度較大，難以規(guī)?；瘧?yīng)用。相比之下，在二維材料表面實現(xiàn)范德華接觸可能是一種更好的選擇。范德華接觸是指二維材料和金屬電極通過范德華力相作用，這種方式在避免引入大量缺陷的同時能夠?qū)崿F(xiàn)較好的電學(xué)接觸，具有更強的操作性和大規(guī)模應(yīng)用的潛力。
為了實現(xiàn)可靠的二維范德華接觸，該團隊開發(fā)了一種“全堆疊”技術(shù)，在二維電學(xué)器件的制備過程中，實現(xiàn)金屬電極與二維材料的直接堆疊，避免了金屬蒸鍍等環(huán)節(jié)，從而保護了二維材料免受損傷，并實現(xiàn)了優(yōu)良的電學(xué)性能。如圖1所示，利用全堆疊技術(shù)制備的二維電學(xué)器件具有銳利的金屬-半導(dǎo)體接觸界面，界面處存在平整、清晰的范德華間隙，并且二維材料一側(cè)沒有金屬原子的摻雜，這表明金屬電極和二維半導(dǎo)體之間形成了高質(zhì)量的范德華接觸。由于接觸界面的改善，全堆疊技術(shù)制備的二維半導(dǎo)體晶體管相比于金屬蒸鍍工藝，關(guān)態(tài)電流降低了95%以上，亞閾值擺幅降低了50%，同時具備更高的開關(guān)比，在實現(xiàn)低功耗集成電路方面更具優(yōu)勢。
圖1. 全堆疊技術(shù)及制備的二維電學(xué)器件。（a-b）范德華襯底輔助的金屬電極剝離及全堆疊技術(shù)示意圖；（c-d）全堆疊技術(shù)制備的二維電學(xué)器件截面原子圖像及元素分布，展示了金屬- 二維半導(dǎo)體間銳利的范德華界面（3.7 ?）；（e-f）全堆疊技術(shù)制備的二維場效應(yīng)晶體管電學(xué)性能，其開關(guān)比高達(dá)107，亞閾值擺幅約5 v/dec，比利用蒸鍍電極制備的晶體管器件性能提升一個數(shù)量級。
為了展示全堆疊技術(shù)在晶圓級制造上的潛力，團隊利用該技術(shù)制備了單層二硫化鉬的場效應(yīng)晶體管陣列（如圖2所示），器件良率高達(dá)98.4%，表現(xiàn)出優(yōu)異的一致性和穩(wěn)定性。這一晶體管陣列的平均開關(guān)比為6.8×106，其中開關(guān)比大于106的器件占比達(dá)91.3%。晶體管陣列的優(yōu)良性能和高度一致性進一步證明了全堆疊技術(shù)在實現(xiàn)二維電學(xué)器件可靠電學(xué)接觸方面的優(yōu)勢，表明該技術(shù)有望為未來二維電學(xué)器件的工業(yè)級制造提供新的技術(shù)路徑。
圖2. 單層二硫化鉬場效應(yīng)晶體管陣列制備及電學(xué)性能。（ a ）全堆疊技術(shù)制備的單層mos2場效應(yīng)晶體管陣列；（ b ）396個單層mos2晶體管的開態(tài)電流分布統(tǒng)計；（ c-d ）366個單層mos2晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線及開態(tài)電流、開關(guān)比統(tǒng)計分布（排除擊穿及損壞器件）。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心博士研究生張曉東、博士后黃辰曦和李澤宇為本論文的共同第一作者。這項研究得到了中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、科技創(chuàng)新2030重大項目、華米創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金、國家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等科研項目的支持。
論文鏈接：
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、科研部）
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