二維（2D）材料由于具有超高載流子遷移率、優(yōu)越的機械柔性和特殊的光學(xué)特性等下一代電子學(xué)所需的特殊性能而受到廣泛關(guān)注。盡管其潛力巨大，但實驗室到晶圓廠過渡的主要技術(shù)難點之一在于二維材料與經(jīng)典材料系統(tǒng)（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(zhì)，在二維材料上形成三維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)（3D-on-2D）時，獲得定義良好的界面尤其具有挑戰(zhàn)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(zhuǎn)移的方法以及從非外延到外延的集成方法。技術(shù)進步和障礙進行了嚴(yán)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(zhì)結(jié)構(gòu)。最后，展望了混合維集成過程，確定了最新技術(shù)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并提出了未來創(chuàng)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(zhì)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(qū)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(fā)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(xué)圖像。插圖顯示了初始MoS
2薄片的光學(xué)圖像。比例尺，10μm。（c） STO/MoS
2疊層的橫截面高角度環(huán)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(xué)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(yīng)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(zhuǎn)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(guān)系。（b） 彎曲模式下BiFeO
3（BFO）–CFO納米復(fù)合材料在云母上的M–H環(huán)。（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(gòu)型和電荷密度分布。（h） ZnO/1ML-MoS
2/ZnO納米棒異質(zhì)結(jié)構(gòu)的TEM示意圖和橫截面圖。（i） ZnO/1ML-MoS
2/ZnO納米棒異質(zhì)結(jié)構(gòu)的室溫陰極發(fā)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(zhì)結(jié)構(gòu)的FFT圖形（左面板）和STEM圖像（右面板）。（c） 用電導(dǎo)法從HfO
2/HfSe
2 MOS電容器的電導(dǎo)-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(zhì)轉(zhuǎn)移示意圖（a）和光學(xué)圖像（b）。（c） 研究了100個背柵MoS
2晶體管的Ids–Vg轉(zhuǎn)移特性。（d，e）MoS
2頂部轉(zhuǎn)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(dǎo)體界面。（f） 不同金屬功函數(shù)的金屬-半導(dǎo)體結(jié)的肖特基勢壘高度。（g） 石墨烯輔助金屬轉(zhuǎn)移印花工藝示意圖。（h） 金圖案轉(zhuǎn)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(guān)研究成果由麻省理工
Jeehwan Kim課題組2024年發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
