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北京大学彭海琳团队《Nat Comm》:通过梯度表面能调制集成晶圆级超平面石墨烯
出处:材料分析与应用  录入日期:2022-09-21  点击数:134

  1成果简介
  对于先进的电子设备来说,将大规模二维 (2D) 材料集成到半导体晶圆上是非常理想的,但仍存在与转移相关的裂纹、污染、起皱和掺杂等挑战。本文,北京大学彭海琳课题组与国防科技大学秦石乔、朱梦剑课题组等研究人员在《Nature Communications》期刊发表名为“Integrated wafer-scale ultra-flat graphene by gradient surface energy modulation”的论文,研究开发了一种通过梯度表面能量调控的通用方法,从而使石墨烯可靠地粘附和释放到目标晶片上。所获得的晶圆级石墨烯表现出无损伤、清洁和超平坦的表面,掺杂可忽略不计,从而产生均匀的薄层电阻,偏差仅为约6%。SiO2/Si上的转移石墨烯表现出高达约10,000cm2V-1s-1的高载流子迁移率,在室温下观察到量子霍尔效应(QHE)。分数量子霍尔效应 (FQHE) 在被 h-BN 封装后出现在1.7K,产生了约280,000cm2V-1s-1的超高迁移率。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。总体而言,所提出的方法有望在未来将晶圆级二维材料集成到先进的电子和光电子学中。
  2图文导读 

 

  图1、 梯度表面能调控转移的石墨烯晶圆。

 

  图2:转移石墨烯的均匀性。

 

 

  图3:转移石墨烯的电学特性。

 

  图4:晶圆级石墨烯热发射器的集成和辐射特性。
  3小结
  成功开发了一种通用方法,用于将晶圆级石墨烯集成到硅片上,与当前的半导体技术兼容。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,从而在转移过程中实现可靠的粘附和释放。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英寸区域内实现均匀的薄层电阻,偏差约为 6%。
  与传统的 PMMA 转移石墨烯相比,转移的石墨烯由于掺杂水平可忽略不计和散射中心少得多而增强了电性能。在SiO 2 /Si上用石墨烯制造的霍尔棒器件表现出小的狄拉克点和高载流子迁移率(高达~10,000 cm 2 V -1 s -1),允许在室温下观察量子霍尔效应(QHE)。分数量子霍尔效应 (FQHE) 在 1.7 K 处也出现在由 h-BN 封装的转移石墨烯中,迁移率达到 ~280,000 cm 2 V -1 s -1. 此外,具有 4 英寸石墨烯/硅晶片的集成热发射器阵列在 NIR 区域显示出具有广谱的显著发射。总之,所提出的方法可以用作集成其他固有二维材料的通用方法,例如在晶圆级上集成 h-BN 和2D MoS2,为集成高性能电子和光电子学的发展铺平道路。
  文献:

 

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