北大&国防科大《Nature》子刊：晶圆级超平石墨烯！

对于先进的电子器件来说，大规模二维(2D)材料集成到半导体晶圆上是非常需要的，但诸如转移相关的裂纹、污染、皱折和掺杂等挑战仍然存在。

在此，来自国防科技大学和北京大学等单位研究者，采用原子分辨扫描透射电子显微镜结合密度泛函理论计算，展示了Ca和Si等价掺杂共偏析引起α-Al2O3中的GB结构转变。相关论文以题为“Integrated wafer-scale ultra-flat graphene by gradient surface energy modulation”发表在Nature Communications上。

将二维(2D)材料集成到当前的硅技术中，可以将高迁移率、悬空无带接口、原子尺度通道尺寸嵌入实际的电子和光电器件中。注意，一个必要的前提是将二维材料从其生长基板转移到工业晶圆上。然而，在二维材料的晶圆级单晶生长方面，传质方法还存在着很大的差距，这阻碍了近年来在二维材料晶圆级单晶生长方面的进展。通常，湿转移方法通常使用聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)薄膜作为转移介质，以支持二维材料从生长基板分离，并从液体表面舀到目标基板。对于石墨烯，由于石墨烯表面的水吸附而引入的裂纹、皱纹、聚合物污染和水掺杂，湿转移方法可能会显著降低其性能。这些因素作为额外的散射中心，限制了载波迁移率，降低了设备性能。

为了克服这些问题，以往的尝试表明，优化PMMA和用小分子或其他聚合物替换PMMA将促进清洁的石墨烯转移，与目标基板的共形接触可以减少裂纹和皱纹的形成，而发展干转移方法可以通过防止目标基板浸入液体中来减少水掺杂。然而，到目前为止，还没有任何方法能完全解决这些问题，而且大多数方法都不能与晶圆级的高容量半导体技术兼容。

在此，根据薄膜黏附理论，薄膜从一层到另一层的转移主要取决于每层表面能的差异，研究者设计了一种具有梯度表面能分布的多功能三层转移介质。在这种情况下，目标基板的表面能越高，由于在界面处有更好的润湿性和更大的粘附强度，它作为薄膜“受体”的作用就越好。因此，转移介质和目标基板的表面能应经过设计，以确保可靠的粘附和释放，这是确保晶圆尺度二维材料集成的关键特征。因此，梯度表面能(GSE)调制方法有助于将4英寸单晶超平石墨烯集成到硅晶片上。转移后的石墨烯晶圆保持其平整度，表面完整、干净，水掺杂微乎其微。因此，得到的晶圆级石墨烯在4英寸的面积上具有均匀的薄片电阻，误差只有约6%。石墨烯在SiO2/Si上的转移表现出优异的电学性能，室温下狄拉克点更小，载流子迁移率更高。在室温下，在SiO2/Si上转移的石墨烯中也观察到量子霍尔效应(QHE)，在1.7 K时，被h-BN封装的转移石墨烯中记录到分数量子霍尔效应(FQHE)，其高迁移率可达约280,000 cm2 V−1 s−1。此外，在4英寸石墨烯/硅晶圆上制备的集成热发射器阵列在近红外区显示出显著的广谱发射。

图1 梯度表面能调制的晶圆级石墨烯集成。

图2 转移石墨烯的均匀性。

图3 转移石墨烯的电学性质。

图4 晶圆级石墨烯热发射器的集成与辐射特性。

综上所述，研究者成功地开发了一种与当前半导体技术兼容的硅片尺度石墨烯集成的通用方法。物理粘附模型和数据揭示了梯度表面能，在晶圆级石墨烯转移中的重要性，使转移过程中可靠的粘附和释放。因此，获得了具有保留固有特性的4英寸无损伤石墨烯，有助于在4英寸面积上形成均匀的电阻，误差约为6%。

与传统的PMMA转移石墨烯相比，转移的石墨烯由于可以忽略的掺杂水平和更少的散射中心而提高了电性能。用石墨烯在SiO2/Si上制备的霍尔杆器件具有小的狄拉克点和高的载流子迁移率(高达~ 10000 cm2 V−1 s−1)，可以在室温下观察到量子霍尔效应(QHE)。总之，所提出的方法，可作为其他固有二维材料集成的通用方法，如h-BN和2D MoS2在晶圆水平上的集成，为集成高性能电子和光电子的发展铺平道路。