二维材料芯片集成制造技术

芯片级集成器件体积小、能耗低、可扩展性强、可量产，是现代技术变革和发展不可或缺的组成部分。具有独特结构和独特特性的二维层状材料的最新进展推动了它们的片上集成，产生了各种具有卓越性能和新功能的功能设备。为了实现包含二维材料的集成器件，需要多种片上器件制造技术，因为这对于实现器件的良好的性能和高复现性至关重要。

鉴于此，来自澳大利亚斯威本理工大学的Jiayang Wu和David J. Moss教授联合南开大学和旧金山州立大学的研究人员在Small Methods上以Fabrication Technologies for the On-Chip Integration of 2D Materials为题发表综述文章，总结了二维材料片上集成的最先进制造技术，概述了二维材料的材料特性和片上应用，全面回顾了用于在芯片上集成二维材料的不同方法，包括材料合成、片上转移、薄膜图案化和属性调整/修改等等。同时，文章还讨论和总结了集成二维范德瓦尔斯异质结构的方法。最后，文章分析了二维材料片上集成当前的技术挑战和未来的前景。

图1 经典的二维材料芯片集成示意图
图源：Small Methods (2022).

集成电路产业是信息时代的基础。芯片级集成器件具有面积小、能耗低、大规模制造成本低等特点，对我们的现代生活产生了深远的影响。尽管互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容材料平台，如硅、氮化硅和二氧化硅，已经主导了集成器件，但它们受到材料特性固有的限制，为它们满足不断增长的器件功能和性能需求带来了挑战。

其他材料的芯片集成已被证明是克服这些挑战的一个有吸引力的解决方案。例如，通过集成一氧化铕（EuO）铁磁膜将自旋极化载流子注入硅中，已经实现了集成自旋电子晶体管。此外，将有机聚合物集成到硅光子芯片上大大提高了其处理速度和功能性，而这在其他方面受到缓慢的自由载流子响应的限制。

自2004年石墨烯的突破性发现以来， 二维层状材料引起了极大的兴趣，材料家族迅速发展，包括氧化石墨烯（GO）、过渡金属二醇化物（TMDC）、黑磷（BP）、六方氮化硼（h-BN）等。与块状材料相比，二维对应物表现出许多非凡的特性，如超高载流子迁移率、依赖于层的带隙、高各向异性、宽带和低色散以及优异的非线性光学响应。此外，由于平面外范德华相互作用较弱，二维材料具有无悬空键的表面，从而使其易于集成到芯片上，而不会因晶格失配而受到应力或限制。它们原子薄的几何结构也有利于高密度集成。这些材料与集成设备高度兼容，为实现传统集成平台可能提供的新功能和改进性能带来了令人兴奋的新机会。

将二维材料结合到传统集成电路中，结合了集成电路和二维材料两方面的优点。在过去十年中，在混合集成器件中取得了重大进展，该器件结合了用于各种应用的二维材料，例如场效应晶体管、逻辑门电路、激光源、光调制器、光检测器、偏振器、非线性光学器件和传感器。这些器件的成功很大程度上依赖于开发先进的集成制造技术，从材料合成到芯片上转移、膜图案化和性能调整/修改。

这篇综述全面总结了用于制造包含二维材料的芯片级集成器件的各种方法，分析了二维材料在工业界中大规模生产的挑战和潜力。

图2二维材料片上集成的代表性工艺
图源：Small Methods (2022).

文章首先简要介绍了不同二维材料的特性，并总结了其在芯片上的应用。接下来，总结并讨论了二维材料芯片上集成的制造技术及其优点和缺点，分为材料合成、芯片上转移、膜图案化和性能调整/修改。同时，文章回顾并讨论了在芯片上实现二维范德华异质结构的新兴技术。文章最后讨论了当前的挑战和未来的前景。

在过去的十年中，结合二维材料的芯片级器件的制造技术取得了巨大进步，显著提高了传统集成芯片的性能。尽管取得了成功，但对未来发展仍有挑战和新的要求。文章讨论了二维材料片上集成当前的挑战和未来的前景。

对于大规模生产，基于CVD、喷墨打印和光刻的技术已显示出工业规模制造的强大潜力，但在低膜质量或生产效率方面存在局限性。另一个限制因素是缺乏统一的合成协议或制造标准，特别是因为二维材料受到其制造工艺的高度影响。更成熟的材料，如石墨烯、GO和TMDC，已经准备好进入这一阶段，而较新的材料仍需要更多的研究。

材料稳定性对于实际应用是重要的，并且对于许多混合集成器件，由于二维膜被实现为顶部功能层，这使得器件容易受到环境条件的影响。为了避免材料劣化并稳定设备性能，需要适当的包装。这对于空气稳定性较差的人来说尤其如此，例如BP、硅和单层TMDC。为了解决这一问题，已使用电介质，如Al2O3、特定聚合物和h-BN作为封装层。然而，二维膜和Al2O3或聚合物材料之间的界面质量差以及h-BN的有限覆盖面积使得该方法对有效的晶圆级封装具有挑战性。仍需开发新的封装材料和优化的沉积方法。

材料表征技术对于开发制造工艺至关重要。主流技术，如透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱和扫描隧道显微镜（STM），已被广泛用于识别二维晶体的基本性质，如层数、材料缺陷、晶体取向和界面形态。通过引入温度、电场的外部控制或它们与特定膜合成方法的组合，可以实现原位表征技术，这使得能够研究膜生长的动态行为。这些方法往往涉及高端设备，适用于小样本，而对于工业规模的应用，需要对快速和在线监测方法进行更多研究。

材料性能的精确测量对于结合二维材料的集成器件的设计和制造至关重要，反之亦然，器件性能可以作为合成和制造过程的有用反馈。例如，石墨烯和TMDC的载流子迁移率可以通过将它们集成到芯片上以形成FET来表征。通过将二维分层GO膜与光波导集成，还可以表征GO膜的依赖于层的非线性光学特性，由于超薄二维膜的弱响应，这对于传统的扫描方法来说是具有挑战性的。

图3二维材料经典的片上转移工艺
图源：Small Methods (2022).

文章指出，二维材料的片上集成代表了一个令人兴奋且仍在发展的领域，位于集成器件和二维材料科学之间的交叉点。具有成熟制造技术的集成器件平台可以为二维材料提供强大的支持，以释放其非凡的性能。二维材料反过来提供了改进传统集成器件的重要机会。随着二维材料家族本身的扩展，将二维材料结合到芯片上的制造技术的进步为实现未来器件的前所未有的能力提供了巨大的希望。

在自下而上的方法中，量子相干器件建立在原子、分子或点缺陷的固有量子特性之上。在这种原子尺度上，自上而下制造的工具可能无效，因为它们太粗糙。因此，自下而上制造寻求设计组件和交互，以便设备通过定向自组装来构建自身。

将分子量子比特集成到此类器件中以及量子比特的电场控制是关键挑战。表面原子自旋量子位的优点是可以以原子级精度排列成任意纳米结构。目前对纳米科学研究最紧迫的是，科学家需要开发更好的方法来一致地控制多个耦合表面量子位。最后，固体中的点缺陷具有极好的量子相干，甚至可以在室温下保持量子相干。这使得基于点缺陷的固体量子传感器具有优异的性能。

真空中单个原子和光子的相干控制是导致人们进入第二次量子革命的关键性科学突破。量子相干纳米科学的科学技术将大大扩展对单原子和单光子控制的工具箱，以实现在纳米尺度上构建和控制的固态和分子平台中的量子自由度。

文章预测，在未来的几年和几十年里，量子相干纳米科学将在传感和计量应用、安全通信、量子模拟和通用量子计算方面产生重大影响。

二维材料的片上集成源于集成器件和二维材料的结合，代表了为许多应用实现功能器件的新前沿。在过去十年中，由于器件制造技术的发展，该领域取得了重大进展。在这篇综述中，作者系统地总结了用于实现包含二维材料的芯片级集成器件的最新制造技术，包括材料合成、芯片上转移、膜图案化和性能调整/修改的方法，以及二维范德华异质结构的芯片上集成方法。作者还讨论了当前的挑战以及未来的展望。尽管挑战仍然存在，需要更多的工作来提高这些方法的生产规模和效率，毫无疑问，二维材料的片上集成将继续支持新的关键突破，并大大加快二维材料在实验室之外的实际应用。

参考文献：

Linnan Jia, Jiayang Wu, Yuning Zhang, Yang Qu, Baohua Jia, Zhigang Chen, David J. Moss. Fabrication Technologies for the On-Chip Integration of 2D Materials.Small Methods (2022).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.202101435?casa_token=A88sq8MDk-cAAAAA%3AG8n_6dn_dApjQ_KDsJitSCHQdNVv5tt26xFho01KvzwhbpeOoOuivz2NMX1VxQ1nZ7JeaMnQ1WMJGT_t