研究背景

在現代電子學中，需要在晶片上整合更多的電子元件，這一需求推動了關鍵尺寸減小到幾奈米的器件縮放。為了在縮小溝道長度時保持靜電控制，必須使用更薄的溝道結構以減少短溝道效應。因此，可以減薄至單個原子層的二維（2D）材料被認為有希望獲得短溝道抗干擾性，並已被用來演示高開關電流比，低功耗和快速操作。為了製備基於2D材料的奈米級短溝道器件，已經開發了幾種製備策略。例如，透過成角度的金屬沉積並使用奈米線掩模來獲得奈米級溝道長度。但是，這些方法不能用於製備多個器件或形成特定取向。其他方法則是先構建奈米間隙平臺用作源-漏電極對，然後將2D材料作為溝道材料轉移到上面。但是，這些方法依賴於沿晶軸或晶界對晶體結構進行刻蝕或解理，這限制了沿這些預定邊界的器件形成方向。此外，在2D材料下方沉積的金屬電極的粗糙度可能會對二者之間的緊密接觸產生不利影響。基於2D材料的垂直電晶體能夠可控地將溝道長度限定為~10 nm，但是在垂直側壁上整合2D材料仍然是一個挑戰。

成果介紹

有鑑於此，近日，美國明尼蘇達大學Steven J. Koester和Sang-Hyun Oh（共同通訊作者）等演示了基於原子層沉積（ALD）的超平坦奈米間隙平臺，並利用該結構製備了基於2D材料的光學和電子學器件。在這種方法中，從Si晶圓模具上剝離下來的超平坦金屬表面被Al2O3 ALD層隔開，間隙寬度減小到10 nm。兩個電極的表面都垂直對齊，沒有高度差，每個電極都是超平坦的，測得的均方根粗糙度低至0.315 nm，小於單層石墨烯的厚度。只需在平臺頂部放置2D材料薄片，即可製備出基於黑磷和MoS2的短溝道場效應電晶體，展現其典型的電晶體特性。此外，使用相同的平臺演示具有奈米級光敏溝道的光電探測器，與微米級間隙溝道相比具有更高的光敏性。本文開發的晶圓級原子層光刻方法有望使各種2D光學和電子學應用受益。文章以“Ultraflat Sub-10 Nanometer Gap Electrodes for Two-Dimensional Optoelectronic Devices”為題發表在著名期刊ACS Nano上。

圖文導讀

圖1. 將2D材料轉移到具有奈米級間隙的超平坦模板剝離（左）和粗糙沉積（右）的金屬結構頂部而構建的短溝道器件示意圖。

圖1顯示了將2D材料轉移到由奈米間隙分隔的的金屬電極對之上而構建的器件示意圖。在這些器件結構中，一對金屬基底用作連線轉移的2D材料薄片的電極，而電極之間的奈米間隙則用作載流子輸運的溝道。由於2D材料的電學和光學特性受襯底粗糙度的影響很大，與較粗糙的沉積Au平臺相比（右），超平坦模板剝離的Au（左）對於以較小的接觸電阻在2D材料中進行載流子輸運具有優勢。

圖2. 超平坦奈米間隙平臺的製備。（a）製備流程示意圖。（b）第二次金屬沉積之後的SEM影象。（c）模板剝離前整個器件結構的OM照片。（d）模板剝離後器件的OM照片。

奈米間隙平臺的兩面都具有超平坦的金屬表面，是從Si晶圓上模板剝離下來的。在橫向方向上，兩個平坦金屬表面之間的ALD Al2O3層精確地定義了10 nm的間隙尺寸。圖2a顯示了超平坦奈米間隙平臺的製備過程。首先，使用ALD在Si晶圓上沉積Al2O3層（步驟1）。Si晶圓的平坦度（通常RMS粗糙度~0.3 nm）和ALD Al2O3的逐層形成可導致超平坦的金屬表面，最終將在模板剝離結構中用作超平坦電極。應當注意，步驟1中Al2O3層的厚度對應於最終結構中奈米間隙的長度。透過光刻法在沉積Al2O3的晶圓頂部形成第一金屬層（步驟2）。由於需要從Si晶圓上剝離整個結構，因此在這些方法中使用的金屬僅限於對Al2O3層粘附力低的金屬，例如Au、Ag和Pd。接下來，用磷酸刻蝕Al2O3層的暴露區域（步驟3）。在此，第一金屬層用作刻蝕掩模以保護金屬層下方的Al2O3。由於Si對磷酸腐蝕劑的耐受性比Al2O3高得多，因此僅Al2O3被腐蝕掉而基底Si則不受影響。溼法刻蝕後，透過ALD再次沉積相同厚度的Al2O3層（步驟4）。該步驟對於在最終結構中電極之間沒有高度差的情況下實現跨間隙的超平坦度至關重要。為了確保兩個金屬層之間的無縫結構，沉積第二金屬時要與第一金屬有幾微米的重疊，在本文的演示中受到光刻解析度的限制（步驟5）。透過重疊，第一金屬和第二金屬之間的距離僅由Al2O3 ALD層的厚度定義，與最終結構中的溝道長度相對應。

亞10 nm金屬奈米間隙結構已被用於研究量子態中的基本物理學，例如增強的光-物質相互作用和量化的電子隧穿。自上而下的方法（例如電子束光刻）對於在大面積上製備亞10 nm間隙結構具有挑戰性。利用ALD技術形成具有原子級精度的固體介電薄膜，原子層光刻允許以可控和可重複的方式在較大區域上均勻地製備亞10 nm間隙。為了剝離整個結構，將光學粘合劑塗覆在Si晶圓上，並用載玻片作為機械支撐物覆蓋（步驟6）。膠水固化後，將整個結構從Si晶圓上機械剝離，Al2O3層除外（步驟7）。翻轉剝離的結構（步驟8），最後將2D材料薄片轉移到超平坦金屬表面的頂部（步驟9）。由於在步驟7中將Al2O3層保留在晶圓上，因此超平坦的金屬表面會暴露出來，並且可以直接與2D材料接觸。此外，由於該方法不依賴於晶體的晶軸，因此可以在任意方向上製備奈米間隙結構。

圖2b顯示了對應於步驟5的SEM橫截面圖。應該注意的是，兩個金電極的底線高度在整個Al2O3上是相同的。透過在第一金屬的頂部沉積具有重疊區域的第二金屬，兩層之間的距離僅由Al2O3層確定。間隔的距離決定了最終器件的溝道長度。圖2c顯示了模板剝離前的結構俯檢視，對應於步驟5。奈米間隙沿著兩個金層之間的邊界形成，並且可以清楚地看到兩個Au層之間的重疊區域。另一方面，在剝離並翻轉之後，從圖2d的俯檢視中看不到重疊區域，因為重疊區域在第一Au層下方。剝離後在邊界處沒有光散射，表明最終結構中的兩個Au層之間不存在高度差。

圖3. 超平坦奈米間隙平臺的表徵。（a）不同尺寸奈米間隙的SEM影象。（b）在超平坦奈米間隙平臺上轉移的MoS2薄片的SEM影象。（c）在沉積的Au表面上轉移的MoS2薄片的AFM影象。（d）在模板剝離的（TSed）Au表面上轉移的MoS2薄片的AFM影象。（e）RMS粗糙度。（f）表面高度偏差的直方圖。

圖3a給出了寬度為10至30 nm奈米間隙結構的SEM影象。由於ALD層的均勻性，這些奈米級間隙被構造在大面積上。因此，這種方法可以在大面積上大規模製備奈米級間隙結構時作為通用方法實際使用，而不會限制沿特定的角度。要構建基於奈米間隙的器件，只需在平臺上轉移2D材料薄片即可。圖3b顯示了將MoS2薄片轉移到奈米間隙後的SEM影象。奈米間隙結構在薄片下方清晰可見，並在最終器件中用作溝道。圖3c和d分別給出了轉移到沉積的Au金屬表面上的MoS2薄片和轉移到模板剝離的奈米間隙結構上的MoS2薄片的AFM影象。在AFM影象中未觀察到夾在電極之間的Al2O3層，因為Al2O3層的表面位於電極下方。因此，結果表明，超平坦平臺可用於器件製備，而不會受到Al2O3層的干擾。與圖3d相比，圖3c中更強的顏色對比度表明沉積後的Au表面和MoS2的粗糙度更大。第一Au層模板剝離側的RMS粗糙度為0.315 nm，而MoS2表面的RMS粗糙度為0.335 nm（圖3e）。第二Au層模板剝離側的表面也是超平坦的，並且RMS粗糙度為0.350 nm。兩個表面的高度偏差直方圖輪廓一致（圖3f），表明MoS2在超平坦模板剝離的Au表面上緊密接觸。另一方面，沉積的Au表面的RMS粗糙度為1.177 nm，而MoS2表面的RMS粗糙度為0.796 nm。MoS2表面的高度偏差直方圖輪廓以較低的偏差值更居中，表明MoS2懸浮在粗糙的沉積表面上，破壞了它們之間的緊密接觸。與傳統技術相比，使用這種平臺可以在2D材料和金屬接觸之間建立更緊密的接觸。

圖4. 基於超平坦奈米間隙平臺的短溝道2D材料FET的電學效能。（a）FET結構的示意圖。（b&c）溝道長度為30 nm的MoS2 FET的轉移特性和SS與漏極電流的關係。（d&e）溝道長度為30 nm的BP FET的轉移特性和SS與漏極電流的關係。

在超平坦奈米間隙平臺上轉移2D材料後，探索了器件的電學特性。圖4a中的示意圖顯示了基於超平坦電極平臺的奈米級FET的器件結構，並將離子液體施加到頂部，用作柵電極。圖4b和c分別顯示了在30 nm奈米間隙平臺上的MoS2 FET的轉移特性和亞閾值擺幅（SS）相對於漏極電流的曲線圖。轉移特性清楚地顯示了n型行為，具有~104的高開/關比。SS值低至83 mV/dec。圖4d和e分別顯示了在30 nm奈米間隙平臺上BP器件的轉移特性以及SS與漏極電流的關係圖。在該器件中，轉移特性清楚地顯示出p型行為，開/關比~103，測得的SS低至204 mV/dec。這些器件特性表明，超平坦奈米間隙平臺可用於構建2D材料基短溝道FET。

圖5. 15 nm奈米間隙BP FET的雙極性行為。（a&b）轉移和輸出特性，負漏極電壓顯示出p型FET特性。（c&d）轉移和輸出特性，正漏極電壓顯示出n型FET特性。

進一步研究了具有15 nm奈米間隙結構的BP FET的雙極性行為（圖5）。在漏極電壓為負的情況下，觀察到由空穴電導引起的p型特性（圖5a和b），而在漏極電壓為正的情況下，觀察到了由電子電導引起的n型特性（圖5c和d）。在輸出特性中（圖5b和，d），兩種情況下均觀察到電流飽和。這種雙極性行為對於構建諸如邏輯閘之類的應用具有實際意義。

圖6. 基於超平坦奈米間隙平臺的短溝道光電探測器。（a）描光電流顯微鏡的實驗裝置。（b）BP光電探測器的光電流空間成像。

除了FET器件外，還製備和演示了具有奈米級光敏溝道的光電探測器。在此，為了比較奈米級和微米級溝道中光電探測的效能，構建了一個間隙從15 nm增加到幾μm的超平坦平臺。然後，轉移BP薄片，並在器件上進行了掃描光電流顯微鏡（SPCM），如圖6a所示。圖6b顯示了施加電壓為50 mV和-50 mV的光電流空間成像。在施加50 mV（-50 mV）漏極電壓的情況下，在間隙溝道上測量到正（負）光電流。在這兩種情況下，僅在間隙區域中測量光電流，並且奈米間隙區域中的光電流大於微米間隙區域。在奈米間隙區域中，測得的響應率高達40 mA/W。較大的光電流可歸因於與兩個電極之間形成的較大電場，能夠實現更有效的電荷分離。因此，只需在平臺頂部放置2D材料，即可構建具有奈米級溝道的光電探測器。

總結與展望

本文開發了一種可擴充套件的方法來構建基於原子層光刻和模板剝離方法的超平坦奈米間隙電極平臺。兩個金屬區域被Al2O3 ALD層隔開，Al2O3層的厚度精確地定義了兩個金屬層之間的距離。平臺中的兩個金屬表面表現出超平坦度，並且垂直對齊而沒有高度差。僅需將不同的2D材料薄片放置在平臺上，即可構建基於2D材料的電子和光學器件。跨兩個金屬區域的超平坦度應有利於最大程度地降低2D材料中的接觸電阻和載流子散射。隨後，演示了具有BP和MoS2薄片的FET器件，顯示出典型的半導體特性。此外，這種平臺還可用於構建具有奈米級光敏區域的光電探測器。由於不同金屬功函式產生的內建電勢，不同金屬組成的雙金屬超平坦平臺將透過促進電荷載流子的分離而增強光電探測器的效能。由於構建超平坦奈米間隙平臺的方法依賴於晶圓級ALD的均勻形成，因此有望在大面積上製備出具有可控奈米間隙尺寸的光電器件。

文獻資訊

Ultraflat Sub-10 Nanometer Gap Electrodes for Two-Dimensional Optoelectronic Devices

(ACS Nano, 2021, DOI:10.1021/acsnano.0c10759)

文獻連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10759