二維（2D）半導(dǎo)體，例如二硫化鉬（MoS2）在晶體管應(yīng)用領(lǐng)域引起了人們巨大的興趣，然而，使用傳統(tǒng)光刻或沉積工藝制造的2D晶體管通常會(huì)對(duì)原子晶格造成不希望的損壞和污染，從而降低器件性能并導(dǎo)致器件之間的產(chǎn)生巨大差異。
在此，湖南大學(xué)段曦東教授和劉淵教授等人展示了一種高度可重復(fù)的范德華集成工藝，用于從通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的單層MoS2中，進(jìn)行高性能晶體管和邏輯電路的晶片級(jí)制造的集成過(guò)程。通過(guò)設(shè)計(jì)石英/聚二甲基硅氧烷（PDMS）半剛性印章，并為范德華集成工藝調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)光刻掩模對(duì)準(zhǔn)器，本文的策略可確保在收集/釋放過(guò)程中具有均勻的機(jī)械力和無(wú)氣泡的無(wú)皺界面，這對(duì)于大面積上穩(wěn)健的范德華集成至關(guān)重要。
同時(shí)，本文可擴(kuò)展的范德華集成過(guò)程允許在晶片尺度上對(duì)單層MoS2上的高質(zhì)量觸點(diǎn)進(jìn)行無(wú)損傷集成，并能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的2D晶體管。與傳統(tǒng)光刻技術(shù)相比，范德華接觸器件具有原子級(jí)干凈的界面，具有更小的閾值變化、更高的導(dǎo)通電流、更小的關(guān)斷電流、更大的開(kāi)/關(guān)比和更小的亞閾值擺幅。
此外，該方法進(jìn)一步用于創(chuàng)建各種邏輯門(mén)和電路，包括電壓增益高達(dá)585的逆變器，以及邏輯OR門(mén)，NAND門(mén)，AND門(mén)和半加器電路。這種可擴(kuò)展的范德華積分方法可用于2D半導(dǎo)體與成熟行業(yè)技術(shù)的可靠集成，促進(jìn)2D半導(dǎo)體電子的技術(shù)轉(zhuǎn)型。
相關(guān)文章以“Highly reproducible van der Waals integration of two-dimensional electronics on the wafer scale”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology上。
研究表明，與三維（3D）體半導(dǎo)體相比，2D半導(dǎo)體具有原子薄的幾何形狀和無(wú)懸垂鍵的表面，可以在亞納米厚度極限下表現(xiàn)出優(yōu)異的電子性能，并對(duì)短通道效應(yīng)具有出色的抗擾度，從而在低于10 nm的柵極長(zhǎng)度范圍內(nèi)提供最終的晶體管縮放。特別是，MoS2柵極長(zhǎng)度為1 nm的晶體管具有出色的開(kāi)關(guān)特性，突出了2D半導(dǎo)體在晶體管持續(xù)縮放方面的巨大潛力。
為了實(shí)現(xiàn)實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用，2D半導(dǎo)體的可擴(kuò)展合成和高性能晶體管的工業(yè)化兼容制造至關(guān)重要。令人鼓舞的是，單層2D半導(dǎo)體的大面積合成，特別是半導(dǎo)體過(guò)渡金屬硫化合物，最近通過(guò)固源化學(xué)氣相沉積（CVD）實(shí)現(xiàn)了。
最近的研究表明，無(wú)鍵范德華（vdW）接觸，使用2D金屬或半金屬制成2D/3D混合堆棧或3D金屬，可以最大限度地減少界面損傷，有效提高金屬-半導(dǎo)體接觸的質(zhì)量。然而，這些方法中的大多數(shù)都是基于不可擴(kuò)展的策略。
人們普遍認(rèn)為，傳統(tǒng)的光刻工藝通常會(huì)在2D材料上引入聚合物殘留物，并且直接金屬化學(xué)工藝會(huì)在2D半導(dǎo)體上造成不受控制的損壞，例如缺陷，金屬擴(kuò)散和化學(xué)鍵合。vdW集成可以在2D半導(dǎo)體上實(shí)現(xiàn)無(wú)損壞的金屬集成，并產(chǎn)生近乎理想的金屬-半導(dǎo)體接觸。
為此，本文通過(guò)有效控制vdW力，報(bào)告了一種高效的大面積vdW集成工藝，用于在CVD生長(zhǎng)的單層MoS2的2英寸晶圓上可擴(kuò)展地制造高性能晶體管和邏輯電路。
首先，作者使用等離子鍵合方法將大面積PDMS印章與堅(jiān)硬的石英支架緊密結(jié)合，然后將其用于剝離和拾取聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）封裝的電極陣列。獨(dú)特的vdW集成設(shè)計(jì)與石英/ PDMS半剛性印章經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可施加均勻的機(jī)械力，具有最小的結(jié)構(gòu)變形，并且在PDMS和PMMA的界面之間沒(méi)有任何橫向滑動(dòng)，這種保形接觸、無(wú)氣泡和無(wú)皺的界面對(duì)于確保PDMS印章和PMMA/金屬層之間有足夠的vdW力至關(guān)重要。
接下來(lái)，作者使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記并使用帶有定制雙透鏡轉(zhuǎn)移平臺(tái)的光學(xué)顯微鏡，將石英/PDMS/PMMA/金屬層直接對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)襯底。最后，通過(guò)將基板加熱到120℃來(lái)剝離石英/ PDMS印章，以減少PDMS和PMMA之間的vdW力，將PMMA/金屬留在接收襯底上。
圖2.?大規(guī)模vdW集成中的對(duì)準(zhǔn)偏移
此外，本文的方法與成熟的行業(yè)技術(shù)兼容，并且可以與2英寸晶圓上的預(yù)制高介電常數(shù)氧化物和金屬柵極氧化物半導(dǎo)體器件對(duì)齊。vdW集成方法允許在單層MoS2上無(wú)損集成高質(zhì)量觸點(diǎn)使2D晶體管具有高性能和高再現(xiàn)性。
集成vdW的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）可以輕松實(shí)現(xiàn)高性能邏輯逆變器，最高電壓增益高達(dá)585，以及更復(fù)雜的NOR柵極、NAND柵極和半加器電路。這些研究證明了二維晶體管和邏輯電路在大面積CVD生長(zhǎng)的MoS2上的可擴(kuò)展vdW集成。
圖3.?具有Ag/Au接觸點(diǎn)的大面積vdW集成單層二硫化鉬FETs的電子性能
圖4. 具有dW觸點(diǎn)的單層MoS2逆變器
圖5.?vdW集成的MoS2邏輯門(mén)和半加器
段曦東教授近年來(lái)一直從事新二維材料和二維復(fù)雜結(jié)構(gòu)（包括橫向和垂直異質(zhì)結(jié)、多異質(zhì)結(jié)、超晶格、異質(zhì)結(jié)陣列）的制備、表征和在電子、 光電子、催化等領(lǐng)域應(yīng)用等的研究。
近五年相關(guān)研究以通訊作者或第一作者發(fā)表SCI論文24篇，其中IF>10的15篇（Science1篇，Nature nanotechnol.1篇，J. Am. Chem. Soc. 3篇, Chem. Soc. Rev.2篇, Nano Lett.2篇，ACS nano1篇，Adv. Mater.2篇，Adv. Fun. Mater 1篇 Angew. Chem. Int. Ed. 1篇，Small 1篇，Chem. Mater 1篇），其中熱點(diǎn)論文2篇， 高被引論文 7 篇，論文近五年他引2800 余次，單篇論文引用超500次。有授權(quán)專(zhuān)利7項(xiàng)。
獲2017年湖南省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（排名第二），獲2017年中國(guó)電子科技十大進(jìn)展獎(jiǎng)，2018年獲湖南大學(xué)岳麓學(xué)者特聘教授A崗,2019年獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(排名第三)。他通過(guò)精確調(diào)控二維材料的化學(xué)成分和電子結(jié)構(gòu)，在國(guó)際上率先制備出了人類(lèi)歷史上第一個(gè)原子級(jí)薄的二維材料橫向異質(zhì)結(jié)；并成功示范了其在光電檢測(cè)、光伏效應(yīng)和反相器方 面的應(yīng)用。以所發(fā)表的二維材料工作為基礎(chǔ)撰寫(xiě)了二維材料研究進(jìn)展綜述。2017年和段鑲鋒教授合作，實(shí)現(xiàn)了2D異質(zhì)節(jié)、 多異質(zhì)節(jié)以及超晶格的可控外延生長(zhǎng)（Science 2017），這是以湖南大學(xué)為第一作者和第一單位發(fā)表的首篇Science論文。
劉淵教授于浙江大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)獲得學(xué)士學(xué)位，于加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)工程專(zhuān)業(yè)獲得博士學(xué)位，隨后在加州大學(xué)洛杉磯分校/加州納米研究院從事博士后研究，現(xiàn)為湖南大學(xué)物理微電子學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，黨委書(shū)記。劉淵教授針對(duì)未來(lái)器件需求開(kāi)展了基于范德華異質(zhì)集成的低功耗二維晶體管、柔性顯示微納器件的構(gòu)建。迄今共發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇，包括以第一/通訊作者發(fā)表Nature 4篇、Nature 子刊8篇，引用12000余次，2018-2020入選科睿唯安高被引學(xué)者。劉淵教授獲2021年“達(dá)摩院青橙獎(jiǎng)”。
Yang, X., Li, J., Song, R.?et al.?Highly reproducible van der Waals integration of two-dimensional electronics on the wafer scale.?Nat. Nanotechnol.?(2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01342-1
來(lái)源：http://nanotech.hnu.edu.cn/people/professor_duanxd.html
http://gdsfzx.snnu.edu.cn/info/1164/1420.htm
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