转移技术专题|二维材料无残留转移技术实现高性能器件
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01497-x
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一、文章摘要
超越硅技术需要超高性能场效应晶体管。过渡金属二硫化物提供了一个理想的材料平台，但是器件性能，如接触电阻、开关比和迁移率，通常受到由转移程序引起的界面残留物的限制。在这里，我们展示了一种理想的无残留转移方法，使用聚丙烯碳酸酯在厘米级尺度上获得单层MoS2的残留覆盖率约为0.08%。通过将铋半金属接触与六方氮化硼基底上的原子洁净单层MoS2场效应晶体管相结合，我们获得了约为78Ω·µm的超低欧姆接触电阻，接近量子极限，并在15K时获得了约为10^11的创纪录的开关比。这种超洁净的制备方法可以成为使用大面积半导体过渡金属二硫化物的高性能电子器件的理想平台。
二、研究背景：传统PMMA转移劣势——存在残留物和机械损坏
传统上，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)用作器件转移的支撑架。PMMA 在 TMD 表面留下臭名昭著的绝缘残留物，这通常会在转移过程中对 TMD 产生机械损坏。作为 PMMA 的替代品，已经提出了几种其他聚合物（例如聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚碳酸酯、乙烯醋酸乙烯酯和聚乙烯吡咯烷酮）以及有机分子（包括石蜡、醋酸纤维素和萘）作为支撑物。然而，在转移过程中不可避免地会产生残留物和机械损坏，并且常常会降低 FET 的性能。
三、以上问题解决方案/文章创新：PPC替代PMMA+湿式转移法
使用聚碳酸亚丙酯 (PPC) 作为支撑对 CVD 生长的 TMD 样品进行无残留转移，与传统 PMMA (~35%) 相比，TMD 表面上的残留覆盖率可忽略不计，约为0.08%。且结合一种无残留湿式转移方法，其中支持 PPC的转移可以解决 CVD 生长的 TMD 的大面积均匀转移中的支持支架污染和薄片起皱问题，结合Bi半金属接触与hBN基底实现了超高性能MoS2场效应晶体管。
选择单层 MoS2作为典型的 TMD 进行残留物覆盖并随后用于 FET 分析，因为 (i) 它在 TMD 中相对较高的载流子密度（栅极电压下的n 2D，Vg = 0 V），(ii) 它的过去用作 FET 的基准 TMD 材料，以及 (iii) 在之前的文献中用作接触电阻研究的标准半导体 TMD 材料。
分析 AFM 图像以量化残留物覆盖率，如扩展数据图1a-e所示，边际 PPC 残留物覆盖率约为 0.08 ± 0.0065%（扩展数据图1b、e和补充说明1）。这与 PMMA 残留物形成鲜明对比，MoS2上的覆盖率约为 35 ± 0.0059% （扩展数据图1a、c）。在 SiO2上观察到类似的行为与 PMMA 相比，PPC 残留物可以忽略不计（图 1g -i和扩展数据图1a、d所示的约 43 ± 0.0061% PMMA 覆盖率）。PPC 转移样品的粗糙度（均方根，rms ≈ 0.66 nm，如图1j所示）接近于单MoS2厚度（~0.7 nm，如图1f所示的扩展数据），表明超与 PMMA 转移样品相比（rms ≈ 5.6 nm），表面干净无残留。
PPC比PMMA更优的原因分析（更低的吸附能）：为了了解MoS2表面PMMA和PPC残留变化的根本原因（扩展数据图2a-c），我们采用密度泛函理论（DFT）进行了理论研究，如扩展数据图2和补充说明2．MoS2上 PMMA 三聚体的羰基根据局域密度近似 (LDA) 计算确定，单层具有比 PMMA 主链（每个细胞 101 meV）更高的吸附能（每个细胞 258 meV）（扩展数据图 2d ）。然而，在 PPC 三聚体中，羰基产生的吸附能（每个细胞 91 meV）低于主链（每个细胞 258 meV），导致 PPC 羰基中的吸附能低于 PMMA 羰基中的吸附能。
图 1：无残留 PPC 转移与传统 PMMA 转移。
图 2：残留物的电学和光学表征。
图 3：单层 MoS2中的超低接触电阻。
图 4：MoS2 FET 的超高开/关比。
图 5：超洁净大面积单层MoS2 FET 的对比。
只能说：遥遥领先，遥遥领先，遥遥领先~
迈塔光电E1系列多功能二维材料转移实验平台可实现低维材料转移精确定点转移、多层范德华异质结制备，是研究异质结特性、空间反演对称性破缺、以及二维材料不同堆叠方式、魔角超导的有力工具。适用于石墨烯、硫化钼、黑磷等单层材料，范德华异质结，扭曲魔角异质结，纳米线/片，电极阵列等，以及5-100um的微小样品。
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四、制备方法
单层 TMD 的 PPC 和 PMMA 转移方法：
使用PPC(Sigma-Aldrich)和PMMA(Sigma-Aldrich)通过湿转移法转移CVD生长的单层MoS2 。首先，将 PPC 旋涂（6,000 rpm，1 分钟）到生长的单层 TMD 样品上，然后在大气条件下在 90 °C 的电炉上烘烤 1 分钟。然后通过在室温下在浓氢氟酸(HF)溶液中蚀刻来将膜从SiO2 /Si生长基板上剥离。拿起 PPC/TMD 堆叠，用去离子水冲洗（几次），然后转移到目标基板上。转移后，使用N2干燥膜气体。最后，将样品逐渐浸入苯甲醚（Sigma-Aldrich）烧杯中10分钟以除去PPC，然后分别在丙酮、异丙醇和乙醇的烧杯中冲洗。然后，使样品在N2气中干燥直至溶剂完全蒸发。对于 PMMA 转移，单层 TMD 的转移方式与单层 TMD 的 PPC 转移相同。PMMA 以 3,500 rpm 的转速旋涂到生长的单层 TMD 样品上 1 分钟。然后将样品在大气条件下在 150°C 的电炉上烘烤 1 分钟。最后，通过逐渐浸入丙酮烧杯中20分钟，然后逐渐浸入异丙醇和乙醇中来溶解PMMA支撑层。
异质结构 TMD 的 PPC 转移方法：
独立式 PPC/TMD 叠层由清洁的带孔聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 片拾取（在上述湿转移之后），如补充图 1c所示。之后，将 PPC/TMD 堆叠转移到干转移支架上（将 TMD 留在外表面上）。将带有 PPC/TMD 薄膜的干转移支架放置在 90°C 的热板上几秒钟，以干燥多余的水分。随后，两个TMD在室温下对齐并转移。将样品台的温度升高至 90°C，持续 2 分钟，以使 PPC 薄膜与金属干转移支架完全分离。最后，将剩余的 PPC 膜浸入苯甲醚中 5-10 分钟，将其除去。
器件制造：
标准电子束光刻用于使用 PMMA 电子束抗蚀剂 (950 PMMA A4) 对源极/漏极接触进行图案化。采用超高真空 (UHV) 溅射系统在~10^-7托下沉积 20 nm Bi（沉积速率，1 nm min^–1）和 50 nm Au 覆盖层（沉积速率，5 nm min^–1） ，然后在室温下在丙酮中进行 10-20 分钟的剥离过程。Ti/Au (2/50 nm) 电极用于顶栅电极。我们固定了所有 FET 器件的沟道宽度 (3 µm)。沟道长度（L CH）对于转移长度方法测量从 200 nm 到 1 µm 变化。任何 FET 器件均未进行化学掺杂和退火。 使用半导体表征系统 (Keithley 4200-SCS) 在 Lakeshore 低温探针站的真空 (10^-6 –10^-7 torr)中进行全电学测量。本研究中所有 FET 器件的顶栅电介质均采用 h-BN 厚度（约 15–20 nm）。
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