二維材料湖南省重點實驗室在晶圓級範德華集成二維電子器件研究中取得重要突破

3月20日，2003网站太阳集团二維材料湖南省重點實驗室在國際頂級期刊《Nature Nanotechnology》在線發表了題為“Highly reproducible van der Waals integration of two-dimensional electronics on the wafer scale”（DOI：10.1038/s41565-023-01342-1）的研究論文，該研究報告了一種大面積範德華集成技術，可用于制造高重現性的高性能範德華接觸二維晶體管及邏輯電路。

随着科技的發展，人類社會開始逐步從信息化時代邁向智能化時代，人工智能、大數據、新能源智能汽車等行業方興未艾，對半導體行業的發展仍然有旺盛的需求。與此同時，持續微縮的矽基晶體管已經逼近物理極限，矽基集成電路的發展放緩，需要尋找新的發展方向。其中，以單層二硫化钼（MoS₂）為代表的二維半導體材料具有原子薄的厚度、無懸挂鍵的表面，在幾個原子層厚度下仍能表現出優異的電學特性，從而成為“後摩爾時代”新型電子材料的領跑者之一。在業界權威的最新的國際器件與系統路線圖（IRDS2022版）中，二維材料在2034年之後的技術節點被列為溝道材料。

但是，隻有幾個原子層厚的二維半導體具有十分敏感的晶格結構，使得其在器件制備過程中很容易受到損傷。随機出現的缺陷會導緻器件性能不均勻，阻礙了二維半導體器件的規模化制備和應用。近年來逐步發展出的一種新型的範德華異質集成技術，可以将金屬電極制備到犧牲基底上，再用範德華作用力将電極拾取後轉移組裝到二維材料表面，從而避免了與二維材料的直接集成，可以獲得無界面損傷的範德華接觸二維電子器件。然而，目前範德華集成技術無法同時滿足大面積轉移和高精度對準的需求，使得大面積範德華集成二維電子器件的制備仍然面臨巨大挑戰。

有鑒于此，作者團隊通過精确地控制器件組裝過程中的多個關鍵界面的作用力，開發了一種大規模範德華集成方法，用改進的石英/PDMS混合印章來使PDMS對金屬電極陣列施加均勻作用力，确保了電極在拾起/釋放過程中受力均勻，避免了電極容易出現褶皺的問題，從而可以實現晶圓級金屬電極的拾取、對準和批量集成。

圖1.大規模範德華異質集成。

該研究開發的大面積範德華集成技術還引入了接觸式光刻的對準技術，可以進行大面積、高精度批量對準，對準誤差隻有幾微米。基于這一技術，該研究可以基于相同的單層MoS₂材料進行大面積範德華接觸二維晶體管與傳統蒸鍍接觸晶體管性能的統計對比研究，證實範德華接觸避免了傳統器件制備工藝中引入的不可控的損傷，不僅具有多方面更好的晶體管性能指标，還具有高均勻性和重現性。進一步用于制備範德華集成MoS₂反相器和邏輯電路，分别展現出高的增益和低的邏輯運算電壓損耗。這些結果表明這種大面積範德華集成技術具有一定的實用價值，有利于推動二維材料與半導體工業的融合。

圖2.大規模範德華集成的對準誤差表征及其在高重現性高性能二維電子器件中的應用。

二維材料湖南省重點實驗室成員，甯波工程學院研究員、“陽明學者”特聘教授楊向東（以2003网站太阳集团博士生身份參與本工作，現已經入職甯波工程學院）、2003网站太阳集团副教授李佳是該工作的第一作者。該工作得到了來自國家自然科學基金、湖南省創新群體項目、湖南省二維材料重點實驗室、國家重點研發計劃等項目的資助。