北大彭海琳&国防科技大秦石乔、朱梦剑NC：梯度表面能调控的可集成晶圆级超平整石墨烯

一、导读

 二维材料具有高迁移率、无表面悬挂键等优点，在实用电子器件和光电器件领域有广阔的应用前景。然而，在二维材料与半导体硅工艺的集成技术中，二维材料从生长的衬底上转移到目标晶圆衬底上仍然是一个重大挑战。因为利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）转移的传统方法需要接触溶液。以石墨烯为例，这种湿法转移技术会导致石墨烯存在断裂、褶皱、表面被聚合物污染、水掺杂等问题，使得石墨烯的优异性能显著降低，从而降低器件性能。为了解决这些问题，人们采取了各种方法，如将PMMA优化或使用其他聚合物替代PMMA可以使石墨烯更干净，石墨烯与目标衬底形成共形接触可以减少裂纹和皱纹的形成，使用干法转移技术可以减少水掺杂。但是目前尚无方法可以解决所有问题，并且大部分的优化方法无法应用于半导体工艺的集成技术中。

二、成果掠影

针对这一难题，北京大学化学学院、北京石墨烯研究院器件技术研究部彭海琳课题组与国防科技大学秦石乔、朱梦剑课题组合作，设计了一种梯度表面能调控的通用方法，保证了石墨烯向目标晶圆衬底的可靠转移，得到了晶圆级无损伤、干净、几乎无掺杂、均匀的超平整石墨烯。4英寸范围内面电阻的标准偏差仅为约6%，在SiO₂/Si衬底上的载流子迁移率高达10000 cm²V^-1s⁻¹。在室温下可以观察到量子霍尔效应(QHE)。氮化硼（h-BN）封装后，在1.7 K时出现分数量子霍尔效应(FQHE)，产生约280,000 cm²V⁻¹s⁻¹的超高迁移率。并且，集成的晶圆级石墨烯热发射器在近红外(NIR)光谱中表现出显著的宽带发射。

相关研究工作以“Integrated wafer-scale ultra-flat graphene by gradient surface energy modulation”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

三、核心创新

成功开发了一种将晶圆级石墨烯集成到硅片上的通用方法，可以通过这种方法，在衬底上获得表面完整、干净、超平坦的石墨烯薄膜，并且该方法与当前的半导体技术兼容。另外，报告揭示了梯度表面能在晶圆级石墨烯转移中的重要性，使二维材料在转移过程中可以可靠的粘附和释放。

四、数据概览

图1 梯度表面能调制的晶圆级石墨烯集成 © 2022 The Authors

（a）通过梯度表面能调制的晶圆级超平石墨烯转移示意图；

（b）设计的具有梯度表面能的传递介质的结构(γ₁≥γ₂，γ₃≥γ₄)。左图和右图显示了图(a)的粘附和释放过程。SiO₂/Si (γ₁)的表面能比石墨烯/冰片(γ₂)的表面能大，从而实现了可靠的粘附，如中图所示。此外，PDMS (γ₄)的表面能最低，使得石墨烯完整地释放到目标衬底上；

（c）根据测量的接触角计算不同表面的表面能。插图:水与不同表面的接触角。误差棒：不同表面的表面能和接触角的标准偏差；

（d）转移到SiO₂/Si衬底上的4英寸石墨烯光学照片；

（e）转移后石墨烯覆盖率的直方图。插图:转移后石墨烯的光学显微镜图像；

（f）GSE（梯度表面能）转移石墨烯和PMMA转移石墨烯的扫描电子显微镜照片；

（g）每10 × 10 μm²粒子数的直方图，来自80张GSE转移的石墨烯AFM图像和50张PMMA转移的石墨烯AFM图像。插图:GSE转移和PMMA转移石墨烯的AFM特征图；

（h）每5 × 5 μm²的皱纹数直方图，来自转移的超平和粗糙石墨烯的AFM图像。插图:转移的超平和粗糙石墨烯的AFM图像。

图2 转移石墨烯的均匀性 © 2022 The Authors

（a）（b）4英寸SiO₂/ Si衬底上GSE转移石墨烯(a)和PMMA转移石墨烯(b)的面内电阻图，GSE转移石墨烯的面内电阻偏差约为6%；

（c）（d）GSE转移石墨烯(c)和PMMA转移石墨烯(d)的空间G峰位置图。PMMA转移石墨烯的G带峰位置发生蓝移；

（e） GSE转移石墨烯和PMMA转移石墨烯的拉曼G峰和2D峰位置的相关图。每种转移方法的石墨烯采集了225个拉曼光谱。黄星表示未掺杂或未应变的原始石墨烯的G峰和2D峰位置；

（f）GSE转移石墨烯和PMMA转移石墨烯的2D峰的半高宽Γ_2D，实线是Γ_2D分布函数的拟合线。

图3 转移石墨烯的电学特性 © 2022 The Authors

（a）GSE转移石墨烯和PMMA转移石墨烯制备的两种典型Hall-bar的转移特性比较。插图: SiO₂/ Si衬底上的石墨烯Hall-bar图像；

（b）GSE转移石墨烯和PMMA转移石墨烯的场效应晶体管迁移率直方图。42个GSE转移石墨烯和18个PMMA转移石墨烯器件的平均迁移率分别为6000 cm²V^-1s⁻¹和2000 cm²V^-1s⁻¹；

（c）不同温度下GSE转移石墨烯在SiO₂/ Si表面的霍尔电阻随磁场的变化规律。插图: SiO₂/ Si衬底上的石墨烯Hall-bar图像；

（d）h-BN封装转移石墨烯的制备方案；

（e）在300k时，h-BN封装的转移石墨烯的霍尔电阻随磁场(B)的变化。插图:h-BN封装石墨烯Hall-bar的图像；

（f）霍尔电阻(R_xy)(左轴)和纵向电阻(R_xx)(右轴)在1.7 K时随B的变化情况；

（g）R_xx(左轴)和R_xy(右轴)在1.7 K和8.5 T时与栅压(V_g)的关系；

（h）R_xx在不同磁感应强度B和栅压V_g下的二维等高线图。虚线表示填充因子ν =±2，±6，±10处的小能级，以及一些新的分数阶填充因子ν = 2/3，±4/3,7/3，±8/3，这是由于小能级的简并性提升所引起的。

图4 晶圆级石墨烯热发射器的集成与辐射特性 © 2022 The Authors

（a）石墨烯热发射器的原理图；

（b）GSE转移石墨烯上的晶圆级石墨烯热发射器阵列；

（c）8 × 8石墨烯热发射器的光学显微镜图像。插图:单石墨烯热发射器装置；

（d）用红外相机拍摄的P = 3.0 kW cm⁻²处的热发射图像（经过伪色处理）。中间的亮点代表石墨烯发出的辐射。蓝色虚线和黄色虚线分别表示石墨烯和金属电极。

（e）从P = 1.2-7.7 kW cm⁻²的石墨烯发射器发出的发射光谱；

（f）通过2D峰位置的偏移得到石墨烯晶格温度。温度随功率密度近似线性变化。误差棒表示不同功率密度下温度的标准差。

五、成果启示

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，揭示了梯度表面能在晶圆级石墨烯转移中的重要性，使二维材料转移过程中可靠的粘附和释放。与传统的石墨烯转移方法相比，GSE转移的石墨烯显著地提高了性能。

所提出的方法可作为其他二维材料集成的通用方法，如h-BN和二维MoS₂等，为高性能电子和光电子的集成发展铺平道路。

此外，该GSE转移方法被一个独立的研究小组成功复制，证明了该方法在大面积二维材料转移中的鲁棒再现性。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33135-w

本文由雾起供稿。