二維（2D）材料由于具有超高載流子遷移率、優越的機械柔性和特殊的光學特性等下一代電子學所需的特殊性能而受到廣泛關注。盡管其潛力巨大，但實驗室到晶圓廠過渡的主要技術難點之一在于二維材料與經典材料系統（通常由三維（3D）材料組成）的無縫集成。由于二維表面的自鈍化性質，在二維材料上形成三維材料異質結構（3D-on-2D）時，獲得定義良好的界面尤其具有挑戰性。在這里，本研究全面回顧了3D-on-2D摻入策略的最新進展，包括直接生長到基于層轉移的方法以及從非外延到外延的集成方法。技術進步和障礙進行了嚴格的討論，以探索最佳的，但可行的，整合策略的三維對二維異質結構。最后，展望了混合維集成過程，確定了最新技術中的關鍵挑戰，并提出了未來創新的潛在機遇。
圖1. 3D-on-2D集成示意圖。
圖2. 二維材料上電介質層的原子層沉積。（a） 原始石墨烯的Al
2O
3薄膜形成顯示在邊緣成核。（b，c）使用（b）臭氧和（c）前驅體對石墨烯進行表面處理以增強Al
2O
3成核。
圖3. 3D高κ絕緣體和3D電極在2D材料上的集成。（a，b）使用（a）PTCDA和（b）用于高κ晶體管的Sb
2O
3種子層的TMD上的ALD HfO
2。（c，d）使用（c）冷卻蒸發和（d）2D半金屬緩沖層形成3D電極。
圖4. （a） 獨立式STO膜生成工藝示意圖。（b） SiO
2/Si襯底上STO/MoS
2疊層的光學圖像。插圖顯示了初始MoS
2薄片的光學圖像。比例尺，10μm。（c） STO/MoS
2疊層的橫截面高角度環形暗場（HAADF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像。比例尺，2 nm。（d） BTO/2ML-MoS
2的HAADF-STEM圖像。（e） 基于LSMO/MoS
2疊層的器件光學成像。（f） β-Ga
2O
3/石墨烯垂直裝置示意圖。（g）SRO/STO襯底上生長的PMN-PT薄膜（左）、剝落的獨立PMN-PT膜（右上）和PMN-PT膜剝落后剩余的SRO/STO襯底的照片（右下）。比例尺，2 mm.（h）使用Ti（30 nm）/Ni（3μm）金屬應力源層的剝落PMN-PT膜的橫截面透射電子顯微鏡（TEM）圖像。（i） 2ML石墨烯輔助外延層轉移：剝離100 nm厚STO（左）、CFO（中）和YIG（右）膜的示意圖（左）、照片（右上）和電子背散射衍射圖（右下）。
圖5. （a） 柔性PbZr
0.2Ti
0.8O
3（PZT）薄膜vdW的殘余極化、飽和極化和矯頑場與彎曲半徑的關系。（b） 彎曲模式下BiFeO
3（BFO）–CFO納米復合材料在云母上的M–H環。（c） d
33（頂部）和αME（底部）與所選BFO柱的彎曲半徑（有無外加磁場）。（d） 使用涂有柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板的粘性粘合層的α-MoO
3/CFO/Au堆疊剝離工藝示意圖。（e） 剝落的α-MoO
3/CFO/Au疊層的橫截面低倍（左）和高分辨率（右）TEM圖像。（f） Al
2O
3襯底上VO
2薄膜的高分辨率TEM圖像與快速傅立葉逆變換（FFT）晶格條紋重疊（左）和（右）石墨烯夾層。頂面板用線條展示了VO
2薄膜和Al
2O
3襯底之間擴大的晶格排列。右圖插圖顯示了直接生長在Al
2O
3襯底上的VO
2薄膜中形成的位錯。（g） 用DFT方法模擬了ZnO/1ML-MoS
2/ZnO的原子構型和電荷密度分布。（h） ZnO/1ML-MoS
2/ZnO納米棒異質結構的TEM示意圖和橫截面圖。（i） ZnO/1ML-MoS
2/ZnO納米棒異質結構的室溫陰極發光（CL）光譜。
圖6.通過天然氧化物進行3D-on-2D集成。（a） 使用氧氣等離子體氧化的HfO
2/HfSe
2堆棧制造工藝示意圖。（b） HfO
2/HfSe
2異質結構的FFT圖形（左面板）和STEM圖像（右面板）。（c） 用電導法從HfO
2/HfSe
2 MOS電容器的電導-電壓曲線中提取界面電荷陷阱密度（Dit≈5.7×1010 cm
–2 eV
–1，頻率為1 kHz）。
圖7. 通過圖層傳輸進行3D-on-2D集成。（a，b）基于PVA犧牲層和ALD工藝的晶圓級高κ電介質轉移示意圖（a）和光學圖像（b）。（c） 研究了100個背柵MoS
2晶體管的Ids–Vg轉移特性。（d，e）MoS
2頂部轉移的Au電極的橫截面示意圖和TEM圖像，具有原子銳利和干凈的金屬-半導體界面。（f） 不同金屬功函數的金屬-半導體結的肖特基勢壘高度。（g） 石墨烯輔助金屬轉移印花工藝示意圖。（h） 金圖案轉移到4英寸SiO
2晶圓上的照片。（i） 10×10背柵FET器件的電流通斷比映射。
相關研究成果由麻省理工
Jeehwan Kim課題組2024年發表在
Nano Letters (鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02663)上。原文：Mixed-Dimensional Integration of 3D-on-2D Heterostructures for Advanced Electronics
轉自《石墨烯研究》公眾號
