欧洲2D实验试产线项目中电子石墨烯器件的多项目晶圆运行研究

为解决石墨烯电子器件商业化20年未果的难题，欧洲2D实验试产线(2D-EPL)项目通过多项目晶圆(MPW)运行，成功实现晶圆级石墨烯场效应晶体管(GFET)的标准化生产。研究团队在2022-2023年完成两次MPW运行，通过拉曼光谱和电学测试验证了器件性能（迁移率>1000 cm2/Vs，接触电阻<1.5 kΩ·μm），为石墨烯器件产业化提供了关键工艺设计套件(PDK)和可靠性数据。

　　

尽管石墨烯自2004年首次剥离以来展现出卓越的电学性能，但其商业化进程却停滞不前。晶圆级制造中的技术瓶颈——包括石墨烯转移残留物、金属接触电阻、介电层集成等问题——长期阻碍产业化发展。欧洲2D实验试产线(2D-EPL)项目应运而生，这个由欧盟委员会资助2000万欧元的研究计划，旨在建立欧洲首个石墨烯电子器件试产线。

德国AMO GmbH联合西班牙Graphenea S.A.等机构的研究团队，在《Nature Communications》发表了两次多项目晶圆(MPW)运行成果。他们采用化学气相沉积(CVD)生长石墨烯，通过半干法转移技术将其集成到150 mm晶圆上，并开发了包含6道光刻层的标准化工艺。关键技术包括：等离子体增强原子层沉积(PEALD)制备Al₂O₃介电层、钯/钛(Pd/Ti)金属接触体系、以及针对生物传感器应用的200 nm Al₂O₃保护层lift-off工艺。

MPW流程与设计

研究团队设计了包含13个测试芯片的晶圆布局，每个测试芯片包含10个四探针交叉桥结构（用于测量迁移率）和10个传输线模型(TLM)结构（用于接触电阻分析）。MPW运行1采用Pd/Ti三明治接触结构，而MPW运行3简化为单层顶部接触以提升良率。

实验结果

电学测试显示：MPW运行1的GFET中位迁移率达1023 cm²/Vs，接触电阻0.8 kΩ·μm（载流子浓度n_s=-10×10¹² cm^-2时），均超过预设指标。拉曼光谱证实工艺过程未引入明显缺陷（D峰强度比I_D/I_G<0.02）。值得注意的是，采用原子层沉积(ALD)封装（运行3）的器件比电子束蒸发封装（运行1）表现出更小的迟滞效应（0.7 V vs 37 V）。

挑战与突破

研究揭示了晶圆级集成的关键挑战：光刻胶残留导致接触电阻波动（σ>5 kΩ·μm），以及大尺寸石墨烯区域封装层开裂问题。团队通过优化工艺设计套件(PDK)，在MPW运行3中将设计自由度与工艺稳定性达成更好平衡，使良率从94%提升至87%。

这项研究标志着石墨烯器件从实验室走向产业化的重要里程碑。通过建立可重复的晶圆级制造流程，研究人员为GFET在生物传感、太赫兹器件等领域的应用铺平道路。特别值得注意的是，ALD封装技术的突破使器件稳定性显著提升，而标准化PDK的开发则为未来多用户晶圆服务建立了范本。欧洲2D-EPL项目的经验证明，只有通过产学研协同创新，才能攻克二维材料产业化面临的工程化难题。