鑽石舞台

隨着半導體製造技術正在接近摩爾定律的物理極限，傳統的三維半導體已經無法滿足未來芯片集成的需求。石墨烯、過渡金屬硫族化合物（TMD）等二維材料因其獨特而優異的電學性能和光學性能，在未來的存儲器、邏輯和光子器件中有很大的應用前景。為了推進二維材料和器件從實驗室研究過渡到集成化電路工業級製造，有必要開發針對於二維材料的圖案化方法，以獲得高質量的晶圓級的圖案化二維材料。

圖1二維材料圖案化技術

圖案化技術將二維材料集成在電子和光電子芯片上，促進了二維材料走向工業級應用。由於二維材料的原子級薄等特性，導致傳統硅基圖案化技術如離子注入等無法直接應用於二維材料，針對二維材料圖案化技術也因此得到發展。

近年來，研究人員開始越來越關注開發針對二維材料結構的圖案化技術。首先，二維材料在大規模集成器件中的應用不斷被突破。例如，二維材料的通道長度已經從微米尺度減少到納米尺度。在探針的輔助下，可以構造20 nm以下的分辨率的二維材料溝道；探針圖案化技術還能運用於晶圓級MoS2薄膜的的圖案化。其次，圖案化技術的進步還能提升二維材料的電學性能。例如，採用誘導生長法實現了低肖特基勢壘的金屬-TMD側向接觸；印刷石墨烯電極可以避免金屬沉積對二維材料表面的破壞抑制界面缺陷。此外，二維材料的納米圖案化技術有助於調節二維材料光學和電子性質。結果表明，二維材料的形貌對光學性質有顯著的調節作用。一維MoS2的光致發光比平面二維MoS2發光強度高50 mV。除了可調製的光學特性外，二維材料還可以設計成不同的圖案來實現不同的功能。例如，在圖案化石墨烯製成的超表面上實現寬頻率範圍太赫茲波響應。

本文綜述了二維材料納米圖案化技術的最新進展，將其分為自上而下和自下而上兩種策略（圖2），並討論了不同圖案化方法的適用範圍及優缺點。

圖2. 二維材料製備策略

自上而下的策略主要分為種子誘導生長和打印技術。在種子誘導生長的策略中，先在襯底上預先製備上一層誘導源，再通過化學氣相沉積、物理氣相沉積等方法得到均勻的二維材料。誘導源起到了定位二維材料的作用，直接實現了二維材料圖案化。由於誘導生長後二維材料的尺寸、形狀難以保持一致，通常需要引入額外的加工技術（如光刻等）來對二維材料進行更加精細的圖案化處理。在打印技術中，將二維材料分散到合適的有機溶劑中作為墨水，通過打印技術將二維材料在襯底上實現圖案化。打印技術得到的圖案化二維材料具有定位精準、圖案設計靈活等特點。但打印得到的圖案化二維材料通常層數難以控制，均勻性較差。

自下而上的製備策略主要包括光刻-刻蝕技術和激光直寫技術。在光刻-刻蝕技術中，先將二維材料上的光刻膠進行圖案化處理，然後在圖案化的光刻膠的保護下利用等離子體或溶液刻蝕二維材料。光刻工藝中不可避免出現殘留有機物，會直接影響二維材料電學性能。此外，發展可控的刻蝕技術實現二維材料的精細刻蝕對二維材料的應用也至關重要。激光直寫技術無需光刻工藝，直接利用激光、探針等物理媒介在程序控制下將二維材料進行圖案化處理。直寫技術可以有效避免光刻過程中的有機殘留，圖案化過程更加精細。但直寫技術耗時長、難以實現大規模製備。

在圖案化技術的基礎上，文章中總結了集成二維材料在邏輯、存儲和光電器件等方面的實際應用。一方面，圖案化技術確保了器件性能的一致性，並抑制了不同器件之間的差異，這是集成電路的基礎。另一方面，圖案化技術使二維材料能夠大面積地集成到各種設備結構中，以實現不同的功能。例如，而集成FET器件可以設計成邏輯門執行運算任務。然而，不成熟的圖案化技術使得許多關於二維材料的科學研究停留在單個器件層面。隨着圖案技術的不斷發展，除了邏輯器件之外，憶阻器和人工突觸等新型器件結構也被報道和研究。文章中討論了二維材料圖案化發展的三個關鍵性指標（集成密度、特徵尺寸、器件間的一致性）對於集成電路器件性能的影響。

總之，隨着二維材料晶圓級合成的不斷突破，後續的圖案化技術變得至關重要。高質量和可控的二維材料圖案化是從實驗室規模走向實際應用的關鍵步驟。為了實現具有商業價值和工業標準的批量生產，需要付出更多的努力來簡化生產過程，降低製造成本，不斷提高製造精度。二維材料圖案化技術的進步將振興半導體行業，為新型電子和光電子學開闢一個新時代。

論文信息：

Nanopatterning Technologies of Two-Dimensional Materials for Integrated Electronic and Optoelectronic Devices

Shenghong Liu, Jing Wang, Jiefan Shao, Decai Ouyang, Wenjing Zhang, Shiyuan Liu, Yuan Li*, Tianyou Zhai*

AdvancedMaterials

https://doi.org/10.1002/adma.202200734