北大彭海琳&國防科技大秦石喬、朱夢劍NC：梯度表面能調控的可集成晶圓級超平整石墨烯

一、導讀

?二維材料具有高遷移率、無表面懸掛鍵等優點，在實用電子器件和光電器件領域有廣闊的應用前景。然而，在二維材料與半導體硅工藝的集成技術中，二維材料從生長的襯底上轉移到目標晶圓襯底上仍然是一個重大挑戰。因為利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）轉移的傳統方法需要接觸溶液。以石墨烯為例，這種濕法轉移技術會導致石墨烯存在斷裂、褶皺、表面被聚合物污染、水摻雜等問題，使得石墨烯的優異性能顯著降低，從而降低器件性能。為了解決這些問題，人們采取了各種方法，如將PMMA優化或使用其他聚合物替代PMMA可以使石墨烯更干凈，石墨烯與目標襯底形成共形接觸可以減少裂紋和皺紋的形成，使用干法轉移技術可以減少水摻雜。但是目前尚無方法可以解決所有問題，并且大部分的優化方法無法應用于半導體工藝的集成技術中。

二、成果掠影

針對這一難題，北京大學化學學院、北京石墨烯研究院器件技術研究部彭海琳課題組與國防科技大學秦石喬、朱夢劍課題組合作，設計了一種梯度表面能調控的通用方法，保證了石墨烯向目標晶圓襯底的可靠轉移，得到了晶圓級無損傷、干凈、幾乎無摻雜、均勻的超平整石墨烯。4英寸范圍內面電阻的標準偏差僅為約6%，在SiO₂/Si襯底上的載流子遷移率高達10000 cm²V^-1s^?1。在室溫下可以觀察到量子霍爾效應(QHE)。氮化硼（h-BN）封裝后，在1.7 K時出現分數量子霍爾效應(FQHE)，產生約280,000 cm²V^?1s^?1的超高遷移率。并且，集成的晶圓級石墨烯熱發射器在近紅外(NIR)光譜中表現出顯著的寬帶發射。

相關研究工作以“Integrated wafer-scale ultra-flat graphene by gradient surface energy modulation”為題發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

三、核心創新

成功開發了一種將晶圓級石墨烯集成到硅片上的通用方法，可以通過這種方法，在襯底上獲得表面完整、干凈、超平坦的石墨烯薄膜，并且該方法與當前的半導體技術兼容。另外，報告揭示了梯度表面能在晶圓級石墨烯轉移中的重要性，使二維材料在轉移過程中可以可靠的粘附和釋放。

四、數據概覽

圖1 梯度表面能調制的晶圓級石墨烯集成 ? 2022 The Authors

（a）通過梯度表面能調制的晶圓級超平石墨烯轉移示意圖；

（b）設計的具有梯度表面能的傳遞介質的結構(γ₁≥γ₂，γ₃≥γ₄)。左圖和右圖顯示了圖(a)的粘附和釋放過程。SiO₂/Si (γ₁)的表面能比石墨烯/冰片(γ₂)的表面能大，從而實現了可靠的粘附，如中圖所示。此外，PDMS (γ₄)的表面能最低，使得石墨烯完整地釋放到目標襯底上；

（c）根據測量的接觸角計算不同表面的表面能。插圖:水與不同表面的接觸角。誤差棒：不同表面的表面能和接觸角的標準偏差；

（d）轉移到SiO₂/Si襯底上的4英寸石墨烯光學照片；

（e）轉移后石墨烯覆蓋率的直方圖。插圖:轉移后石墨烯的光學顯微鏡圖像；

（f）GSE（梯度表面能）轉移石墨烯和PMMA轉移石墨烯的掃描電子顯微鏡照片；

（g）每10 × 10 μm²粒子數的直方圖，來自80張GSE轉移的石墨烯AFM圖像和50張PMMA轉移的石墨烯AFM圖像。插圖:GSE轉移和PMMA轉移石墨烯的AFM特征圖；

（h）每5 × 5 μm²的皺紋數直方圖，來自轉移的超平和粗糙石墨烯的AFM圖像。插圖:轉移的超平和粗糙石墨烯的AFM圖像。

圖2 轉移石墨烯的均勻性 ? 2022 The Authors

（a）（b）4英寸SiO₂/ Si襯底上GSE轉移石墨烯(a)和PMMA轉移石墨烯(b)的面內電阻圖，GSE轉移石墨烯的面內電阻偏差約為6%；

（c）（d）GSE轉移石墨烯(c)和PMMA轉移石墨烯(d)的空間G峰位置圖。PMMA轉移石墨烯的G帶峰位置發生藍移；

（e） GSE轉移石墨烯和PMMA轉移石墨烯的拉曼G峰和2D峰位置的相關圖。每種轉移方法的石墨烯采集了225個拉曼光譜。黃星表示未摻雜或未應變的原始石墨烯的G峰和2D峰位置；

（f）GSE轉移石墨烯和PMMA轉移石墨烯的2D峰的半高寬Γ_2D，實線是Γ_2D分布函數的擬合線。

圖3 轉移石墨烯的電學特性 ? 2022 The Authors

（a）GSE轉移石墨烯和PMMA轉移石墨烯制備的兩種典型Hall-bar的轉移特性比較。插圖: SiO₂/ Si襯底上的石墨烯Hall-bar圖像；

（b）GSE轉移石墨烯和PMMA轉移石墨烯的場效應晶體管遷移率直方圖。42個GSE轉移石墨烯和18個PMMA轉移石墨烯器件的平均遷移率分別為6000 cm²V^-1s^?1和2000 cm²V^-1s^?1；

（c）不同溫度下GSE轉移石墨烯在SiO₂/ Si表面的霍爾電阻隨磁場的變化規律。插圖: SiO₂/ Si襯底上的石墨烯Hall-bar圖像；

（d）h-BN封裝轉移石墨烯的制備方案；

（e）在300k時，h-BN封裝的轉移石墨烯的霍爾電阻隨磁場(B)的變化。插圖:h-BN封裝石墨烯Hall-bar的圖像；

（f）霍爾電阻(R_xy)(左軸)和縱向電阻(R_xx)(右軸)在1.7 K時隨B的變化情況；

（g）R_xx(左軸)和R_xy(右軸)在1.7 K和8.5 T時與柵壓(V_g)的關系；

（h）R_xx在不同磁感應強度B和柵壓V_g下的二維等高線圖。虛線表示填充因子ν =±2，±6，±10處的小能級，以及一些新的分數階填充因子ν = 2/3，±4/3,7/3，±8/3，這是由于小能級的簡并性提升所引起的。

圖4 晶圓級石墨烯熱發射器的集成與輻射特性 ? 2022 The Authors

（a）石墨烯熱發射器的原理圖；

（b）GSE轉移石墨烯上的晶圓級石墨烯熱發射器陣列；

（c）8 × 8石墨烯熱發射器的光學顯微鏡圖像。插圖:單石墨烯熱發射器裝置；

（d）用紅外相機拍攝的P = 3.0 kW cm^?2處的熱發射圖像（經過偽色處理）。中間的亮點代表石墨烯發出的輻射。藍色虛線和黃色虛線分別表示石墨烯和金屬電極。

（e）從P = 1.2-7.7 kW cm^?2的石墨烯發射器發出的發射光譜；

（f）通過2D峰位置的偏移得到石墨烯晶格溫度。溫度隨功率密度近似線性變化。誤差棒表示不同功率密度下溫度的標準差。

五、成果啟示

成功地開發了一種與當前半導體技術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圓級石墨烯轉移中的重要性，使二維材料轉移過程中可靠的粘附和釋放。與傳統的石墨烯轉移方法相比，GSE轉移的石墨烯顯著地提高了性能。

所提出的方法可作為其他二維材料集成的通用方法，如h-BN和二維MoS₂等，為高性能電子和光電子的集成發展鋪平道路。

此外，該GSE轉移方法被一個獨立的研究小組成功復制，證明了該方法在大面積二維材料轉移中的魯棒再現性。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33135-w

本文由霧起供稿。