段曦東段鑲鋒二維電子器件最新Nature Nanotechnology

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一、 【導讀】?

隨著科學技術的進一步發展，人類進一步從信息化時代向智能化時代轉變，其中人工智能，智能汽車等行業的發展均離不開半導體行業的進一步發展。然而，硅晶體管的微縮已然接近其物理極限，硅集成電路的發展急需開發新的二維材料。單層MoS2，具有原子級的厚度、無懸掛鍵的表面，在亞納米厚度下仍然能表現出優異的電學特性，有效的避免短溝道效應，因此成為理想的二維半導體材料。工業化的應用對二維半導體的大規模制備及其性能也有了更高的要求，傳統的光刻和金屬化工藝也可以實現二維晶體管（FET）的晶圓集成，但是設備的差異性所引起的性能的差異性，有可能導致電子器件性能的數量級的降低，迫使人們尋求新的解決方法。而范德華異質集成技術，即將金屬電極制備到犧牲基底上，再利用范德華力將電極拾取后轉移組裝到二維材料表面，從而避免直接與二維材料接觸，制備出無界面損傷的范德華接觸二維電子器件，因此映入人們眼簾。但是，范德華集成技術存在著在高精度對準及能否大規模制備出高性能的電子器件的嚴峻挑戰。

二、【成果掠影】

近日，湖南大學段曦東教授聯合美國加利福尼亞大學洛杉磯分校段鑲鋒教授發表了相關論文，展示了一種高度可重復的大規模范德華集成方法，用改進的石英/PDMS混合印章使得PDMS對金屬陣列施加均勻的力，從而保證了電極在拾起/釋放的過程中受力均勻，避免了經常出現的氣泡、褶皺等問題，從而實現晶圓級金屬電極的拾取、對準和大規模集成。通過對比基于單層MoS2的大規模范德華接觸FET和傳統蒸鍍接觸FET，作者證明了范德華接觸可以避免傳統工藝所帶來的損傷，并且基于此制備出的FET具有更好的性能和可重復性。基于此方法制備出高電壓增益的反相器和多種邏輯電路，表明了該大規模范德華集成技術可以推動二維半導體與半導體工業的成熟的技術相融合，促進二維半導體的技術轉型。第一作者為楊向東教授（現已入職寧波工程學院）和副教授李佳，通訊作者為劉淵教授和段曦東教授。相關文章以“Highly reproducible van der Waals integration of two-dimensional electronics on the wafer scale”發表在Nature Nanotechnology上。

?三、【核心創新點】

  1. 報導了一種有效的大規模范德華集成技術，用改進的石英/PDMS混合印章對金屬電極施加均勻的作用力，確保了電極在拾取/釋放中受力均勻，避免了電極褶皺問題。
  2. 引入了接觸式光刻對準技術，避免了傳統制備工藝中帶來的不可控損傷。

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?四、【數據概覽】

圖1? 大規模范德華異質集成。a.采用接觸式光刻對準的大規模范德華異質集成的示意圖。b,c 犧牲基板上2英寸晶圓級電極照片。d,e接收基板帶有預制柵電極的2英寸晶圓的照片?Springer Nature Limited

圖2? 大規模范德華集成的對準誤差。a. 1 cm2 芯片級范德華集成器件的光學顯微圖像。b. a圖中所選位置的高分辨率的光學顯微圖像。c. 高分辨率的光學顯微圖像，表明x軸和y軸的對準誤差。d. 對準誤差的統計分布。e. 位移矢量映射。f. 對準誤差分析的示意圖。? Springer Nature Limited

圖3? 具有Au/Ag觸點的大面積范德華集成的MoS2二維晶體管的電學性能。a. 具有6nm的HfO2電介質的短溝道器件的光學顯微圖像。b. 短溝道器件的輸出特性。c. 短溝道器件的轉移特性。d. 60個隨機選取的具有Au/Ag觸點的大面積范德華集成的MoS2二維晶體管及60個隨機選取的蒸鍍Au/Ag的MoS2二維晶體管的轉移特性。e-i. Vth, Ion, Ioff, 開關比及SS的統計分布圖。 ? Springer Nature Limited

圖4? 具有范德華觸點的單層MoS2的反相器。a. 具有范德華觸點的單層MoS2反相器的結構示意圖。b. 器件的電壓傳輸特性。c.? 對應的電壓增益。d. 與文獻中反相器的增益比較。e. 電壓傳輸特性及鏡像反射圖。f. 總噪聲容限。? Springer Nature Limited

圖5 范德華集成的MoS2的邏輯門和半加器。a. 大面積范德華集成的邏輯門的光學顯微圖像。b-d. NOR, NAND, AND邏輯門的輸出特性。e. 單層MoS2半加器的光學顯微圖像。f. 相應的輸出特性。 ? Springer Nature Limited

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五、【成果啟示】

本文作者展示了范德華集成工藝可應用于晶圓級二維半導體電子器件的制備，同時，通過接觸式光刻技術，可以實現大面積、高精度批量對準。該集成方法不僅可用于制備高性能的MoS2晶體管，并且還可以優化工業開發工具如光電系統、計算機輔助系統等。高產晶圓級范德華集成法表明了該方法的可拓展性，標志著成功邁向大規模高性能二維電子產品。

 

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01342-1

 

本文由搬磚仔兒供稿

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