引言及介绍

原子级精确的制造方法对于下一代技术的开发至关重要。例如，在基于范德瓦尔斯异质结构的纳米电子学中，二维材料被堆叠以形成具有纳米厚度的器件，主要的挑战是用原子精度图案化并单独寻址每个分子层。在这里，我们展示了原子级薄的石墨烯蚀刻停止，用于通过用二氟化氙气体选择性蚀刻二维材料来图案化范德瓦尔斯异质结构。通过访问掩埋层并形成一维接触，石墨烯蚀刻停止使得能够从异质结构一步图案化复杂器件。具有氟化石墨烯触点的石墨烯晶体管显示出40,000cm 2  V 的室温迁移率载流子密度为4×1012 cm ，接触电阻率为80Ω·μm时为-1s。我们展示了石墨烯蚀刻停止的多功能性，三维集成纳米电子学与多个有源层和纳米机电设备，其性能可与现有技术相媲美。

我们显示方法，通过使用石墨烯作为不可渗透的蚀刻掩模和蚀刻来制造纳米结构和访问掩埋接口与单个原子层的精度停止。这些技术，我们称之为GES（石墨烯蚀刻停止），代表了在2D异质结构内选择性地曝光和接触嵌入的石墨烯层的简单方法。该概念利用了XeF2的高化学选择性，XeF2是一种气相，强氟化剂，通常用作微机电系统（MEMS）工业中的硅的各向同性蚀刻剂18。

结果与讨论

1、通过石墨烯蚀刻停止选择性蚀刻

图  1a说明了使用GES来图案化2D材料的异质结构，图  1b，c是在暴露于XeF 2之前和之后相同异质结构的光学图像。

图1、用XeF 2气体选择性蚀刻vdW异质结构。一个所述的XeF的原理图2蚀刻工艺用于堆叠六方氮化硼和石墨烯层的范德华异质结构。b，c。在暴露于XeF 2之前和之后由堆叠的剥落薄片制造的相应异质结构的光学显微照片。比例尺为10μm。在蚀刻之前，异质结构由氧化硅衬底（从底部到顶部），5nm hBN，1L石墨烯，8nm hBN，1L石墨烯和10nm hBN组成。b中的插图显示2D石墨烯峰的拉曼图，指示两个石墨烯层（G1和G2）的位置。CXeF 2蚀刻后样品的光学显微照片，插图表示所示区域的横截面结构。b和c之间的颜色变化表示通过薄膜干涉测量法确定的膜厚度的变化。基底是棕色的，而最薄的hBN是蓝色并且厚度增加，并且颜色的变化表示hBN厚度从深蓝色（最薄）到浅蓝色到绿色到黄色（最厚）的变化。d蚀刻的异质结构的假彩色横截面明场STEM图像。比例尺为10nm。用石墨烯掩模（FG1和FG2）覆盖的hBN层（hBN1和hBN2）受到XeF 2蚀刻的保护。Ë从（c）的白色虚线区域拍摄的环形暗场STEM图像显示原子级清晰且清晰的异质界面。比例尺为5nm

这些图像表明，GES是一种自阻止蚀刻工艺，能够实现平面外和纳米级特征尺寸的原子精度，而无需在时序或条件下进行精确控制。

2、氟化石墨烯蚀刻停止的特征

GES的自我逮捕性质意味着它具有可扩展性和原子级精确性。图 2a通过将GES应用于大面积异质结构阵列来展示这种可扩展性。我们将大面积石墨烯图案化为用于图案化大面积WS 2的蚀刻掩模，两者均通过化学气相沉积（CVD）生长。

图2、氟化石墨烯的拉曼和电导测量。在XeF 2蚀刻之前和之后（比例尺为50μm），用预先图案化的CVD GES覆盖的CVD WS 2片的光学图像（底部）。示意图（顶部）示出了每个步骤沿着白色虚线的石墨烯覆盖的WS 2的横截面。在蚀刻之后，蚀刻掉未覆盖的WS 2，同时覆盖的WS 2在氟化GES的保护下保持不变。b在增加XeF 2暴露下，石墨烯在hBN上的拉曼光谱。作为XeF 2曝光时间增加，石墨烯D峰变得突出而2D峰被衰减，表明sp 3型缺陷的形成。这些结果与石墨烯氟化的其他研究一致。c通过XeF 2处理氟化的hBN上的石墨烯的电导率（插图中的比例尺为10μm）。在30秒XeF 2曝光后，FG变得完全绝缘

3、氟化石墨烯触点的电学特性

在本文的其余部分，我们将探讨GES在二维异质结构中制造电子和机械设备的应用。纳米级器件研究中的两个持续挑战是如何最小化环境对限制纳米材料的潜在优异电子迁移率的影响以及如何设计与纳米材料的低电阻接触。

图3、具有FG通孔触点的hBN封装的石墨烯器件的电性能。一个通过接触和通孔接触区域中的FG的假色剖HRTEM图像FG一六方氮化硼包封的石墨烯器件的示意图（比例尺为5nm）。b四探针电阻率作为室温下载流子密度的函数。右侧插图显示了用于载流子迁移率测量的霍尔棒石墨烯器件（比例尺为5μm）。右侧插图显示通过将Drude模型应用于测量的电导率（σ  =  neμ，其中σ，n，e和μ）外推的电子（红色）和空洞（蓝色）迁移率分别是片状电导率，载流子密度，电子电荷和载流子迁移率。黑色虚线表示石墨烯在室温下预测的内在声子受限迁移率28。c在固定电子和空穴载流子密度下，石墨烯TLM器件的总电阻随沟道长度变化的曲线图。插图显示TLM装置的光学显微照片（比例尺为10μm）。d作为载流子密度和温度的函数，器件的接触电阻。插图显示了作为温度函数的接触电阻，并且表明接触电阻没有显着变化。Ë用DFT计算G-Cr，FG-Cr，G-Pd和FG-Pd之间界面处的总电荷密度的等值面。在FG-金属触点的界面处缩短的C-F-Cr和C-F-Pd的原子距离导致小的接触电阻。这是因为通过F桥的轨道重叠有利于电荷从金属转移到FG

这些模拟和测量表明，FG掩埋器件中的主要接触电阻是在1D石墨烯-FG界面处。在与蚀刻的异质结构的侧面电接触时已经看到类似的结果，其中仅石墨烯的1D边缘暴露13。与2D表面接触不同，该结果表明金属化FG的接触电阻与接触长度无关，并且没有固有的尺寸下限。因此，应该可以将嵌入式触点和通孔的尺寸缩小到纳米级尺寸而不影响功能。

4、2D材料制造三维（3D）集成系统

除了提供更简单的制造工艺和最先进的器件特性外，选择性蚀刻停止还能够实现使用其他技术无法轻易实现的功能。例如，层间通孔和垂直对准的异质结构中的多个有源层独立接触对于像NAND门这样的集成电路是至关重要的，其中逻辑运算是通过串联几个晶体管的栅极和沟道以及基于石墨烯的多层印刷电路板来计算的。 （PCB）上。类似地，依赖于平面外传输的2D异质结构的许多设备应用，例如垂直PN结，隧道结或基于2D材料8的光发射器，需要相同的能力分别接触垂直排列的层。

图4概述了使用GES制造层间通孔和垂直集成多个有源层的概念验证演示。

图4、使用2D材料和悬浮石墨烯机械谐振器制造3D集成器件，采用干法和一步蚀刻工艺。一个光学显微图像和通过接触与所连接的多层堆叠的石墨烯器件的示意图（比例尺为10μm）。源极和漏极接触对于底部石墨烯器件（G1）表示为B1和B2，对于中间石墨烯器件（G2）表示为M1和M2，对于顶部石墨烯器件（G3）表示为T1和T2。所有石墨烯器件都通过两个通孔触点（via1和via2）连接。b电阻与在多层堆叠3个石墨烯器件的载流子密度的图解一个。插图显示I ds  -  V ds从与via1或via2连接的两个石墨烯器件获得的曲线。线性曲线和小电阻表明嵌入在hBN中的这三个石墨烯器件通过触点与低电阻电连接。c光学显微图像和具有石墨烯背栅的hBN封装的石墨烯器件的示意图（比例尺为5μm）。d I ds  -  在c中的石墨烯器件（G2）的V g曲线。用底部石墨烯（G1）施加栅极电压。e悬浮石墨烯膜的假彩色扫描电子显微镜照片（比例尺为2μm）。插图是悬浮膜的放大图像（比例尺为1μm）。F几层石墨烯谐振器的归一化幅度与频率的关系图。黑色圆圈和红色实线分别是光机械响应和洛伦兹拟合

作为不同类型垂直集成的最终演示，MEMS中选择性蚀刻的常见应用是暂停机械响应结构。在对这一研究中，已显示石墨烯可以用作蚀刻掩模对下面的硅，以生成悬浮的FG膜。这些原子膜表现为张紧的机械谐振器，可用作低质量化学传感器或可调谐射频滤波器或振荡器。石墨烯膜具有的谐振频率˚F 1  = 5.24兆赫和255品质因数在室温下，与用通过在沟槽的湿法工艺或机械剥离产生的类似尺寸的国家的最先进的石墨烯的谐振器。就像XeF2一样已经发现在MEMS或NEMS工业中作为选择性硅蚀刻具有广泛的适用性，使用GES生产石墨烯基谐振器具有很大的潜力，因为整个过程是无液体和清洁的。此外，与传统的转移或湿法蚀刻技术相比，该路线可以产生具有更高纵横比和间隙深度的悬浮石墨烯。

结论

总之，图4中的演示表明，在这项工作中提出的GES能够实现基于2D材料的3D集成电子和机械设备的先进制造。图 3显示该结构将保持目前现有技术水平的高迁移率和低接触电阻。图 1显示了纳米级面内特征和器件应该是可能的。上面的大多数演示都使用了剥落材料，但如图2a所示 ，这种技术的可扩展性意味着所有演示也将适用于由连续的大面积异质结构构成的器件阵列。该过程的自阻止性质意味着不需要精确度来实现设备的均匀性，这在原子精确电子设备中具有巨大的益处。所有这些组件都表明，在垂直集成至关重要的应用中，如集成电路逻辑组件（如NAND门），选择性蚀刻工艺是实现原子精确，全2D纳米电子作为可行技术所必需的主要能力。 通过平面外传输（例如，2D材料隧道结和LED）以及2D纳米机电系统操作的设备。最后，许多其他材料，如过渡金属，硅，所以GES可能发现不仅仅是2D材料原子精确器件的制造中广泛应用。

来源：文章来自nature网站