二维材料湖南省重点实验室在晶圆级范德华集成二维电子器件研究中取得重要突破

3月20日，湖南大学二维材料湖南省重点实验室在国际顶级期刊《Nature Nanotechnology》在线发表了题为“Highly reproducible van der Waals integration of two-dimensional electronics on the wafer scale”（DOI：10.1038/s41565-023-01342-1）的研究论文，该研究报告了一种大面积范德华集成技术，可用于制造高重现性的高性能范德华接触二维晶体管及逻辑电路。

随着科技的发展，人类社会开始逐步从信息化时代迈向智能化时代，人工智能、大数据、新能源智能汽车等行业方兴未艾，对半导体行业的发展仍然有旺盛的需求。与此同时，持续微缩的硅基晶体管已经逼近物理极限，硅基集成电路的发展放缓，需要寻找新的发展方向。其中，以单层二硫化钼（MoS₂）为代表的二维半导体材料具有原子薄的厚度、无悬挂键的表面，在几个原子层厚度下仍能表现出优异的电学特性，从而成为“后摩尔时代”新型电子材料的领跑者之一。在业界权威的最新的国际器件与系统路线图（IRDS2022版）中，二维材料在2034年之后的技术节点被列为沟道材料。

但是，只有几个原子层厚的二维半导体具有十分敏感的晶格结构，使得其在器件制备过程中很容易受到损伤。随机出现的缺陷会导致器件性能不均匀，阻碍了二维半导体器件的规模化制备和应用。近年来逐步发展出的一种新型的范德华异质集成技术，可以将金属电极制备到牺牲基底上，再用范德华作用力将电极拾取后转移组装到二维材料表面，从而避免了与二维材料的直接集成，可以获得无界面损伤的范德华接触二维电子器件。然而，目前范德华集成技术无法同时满足大面积转移和高精度对准的需求，使得大面积范德华集成二维电子器件的制备仍然面临巨大挑战。

有鉴于此，作者团队通过精确地控制器件组装过程中的多个关键界面的作用力，开发了一种大规模范德华集成方法，用改进的石英/PDMS混合印章来使PDMS对金属电极阵列施加均匀作用力，确保了电极在拾起/释放过程中受力均匀，避免了电极容易出现褶皱的问题，从而可以实现晶圆级金属电极的拾取、对准和批量集成。

图1.大规模范德华异质集成。

该研究开发的大面积范德华集成技术还引入了接触式光刻的对准技术，可以进行大面积、高精度批量对准，对准误差只有几微米。基于这一技术，该研究可以基于相同的单层MoS₂材料进行大面积范德华接触二维晶体管与传统蒸镀接触晶体管性能的统计对比研究，证实范德华接触避免了传统器件制备工艺中引入的不可控的损伤，不仅具有多方面更好的晶体管性能指标，还具有高均匀性和重现性。进一步用于制备范德华集成MoS₂反相器和逻辑电路，分别展现出高的增益和低的逻辑运算电压损耗。这些结果表明这种大面积范德华集成技术具有一定的实用价值，有利于推动二维材料与半导体工业的融合。

图2.大规模范德华集成的对准误差表征及其在高重现性高性能二维电子器件中的应用。

二维材料湖南省重点实验室成员，宁波工程学院研究员、“阳明学者”特聘教授杨向东（以半岛平台（中国）责任有限公司官网博士生身份参与本工作，现已经入职宁波工程学院）、半岛平台（中国）责任有限公司官网副教授李佳是该工作的第一作者。该工作得到了来自国家自然科学基金、湖南省创新群体项目、湖南省二维材料重点实验室、国家重点研发计划等项目的资助。