段曦东段镶锋二维电子器件最新Nature Nanotechnology

SK2223 10个月前 (05-05) 1215浏览

一、【导读】

随着科学技术的进一步发展，人类进一步从信息化时代向智能化时代转变，其中人工智能，智能汽车等行业的发展均离不开半导体行业的进一步发展。然而，硅晶体管的微缩已然接近其物理极限，硅集成电路的发展急需开发新的二维材料。单层MoS2，具有原子级的厚度、无悬挂键的表面，在亚纳米厚度下仍然能表现出优异的电学特性，有效的避免短沟道效应，因此成为理想的二维半导体材料。工业化的应用对二维半导体的大规模制备及其性能也有了更高的要求，传统的光刻和金属化工艺也可以实现二维晶体管（FET）的晶圆集成，但是设备的差异性所引起的性能的差异性，有可能导致电子器件性能的数量级的降低，迫使人们寻求新的解决方法。而范德华异质集成技术，即将金属电极制备到牺牲基底上，再利用范德华力将电极拾取后转移组装到二维材料表面，从而避免直接与二维材料接触，制备出无界面损伤的范德华接触二维电子器件，因此映入人们眼帘。但是，范德华集成技术存在着在高精度对准及能否大规模制备出高性能的电子器件的严峻挑战。

二、【成果掠影】

近日，湖南大学段曦东教授联合美国加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋教授发表了相关论文，展示了一种高度可重复的大规模范德华集成方法，用改进的石英/PDMS混合印章使得PDMS对金属阵列施加均匀的力，从而保证了电极在拾起/释放的过程中受力均匀，避免了经常出现的气泡、褶皱等问题，从而实现晶圆级金属电极的拾取、对准和大规模集成。通过对比基于单层MoS2的大规模范德华接触FET和传统蒸镀接触FET，作者证明了范德华接触可以避免传统工艺所带来的损伤，并且基于此制备出的FET具有更好的性能和可重复性。基于此方法制备出高电压增益的反相器和多种逻辑电路，表明了该大规模范德华集成技术可以推动二维半导体与半导体工业的成熟的技术相融合，促进二维半导体的技术转型。第一作者为杨向东教授（现已入职宁波工程学院）和副教授李佳，通讯作者为刘渊教授和段曦东教授。相关文章以“Highly reproducible van der Waals integration of two-dimensional electronics on the wafer scale”发表在Nature Nanotechnology上。

三、【核心创新点】

  1. 报导了一种有效的大规模范德华集成技术，用改进的石英/PDMS混合印章对金属电极施加均匀的作用力，确保了电极在拾取/释放中受力均匀，避免了电极褶皱问题。
  2. 引入了接触式光刻对准技术，避免了传统制备工艺中带来的不可控损伤。

四、【数据概览】

图1大规模范德华异质集成。a.采用接触式光刻对准的大规模范德华异质集成的示意图。b,c牺牲基板上2英寸晶圆级电极照片。d,e接收基板带有预制栅电极的2英寸晶圆的照片©Springer Nature Limited

图2大规模范德华集成的对准误差。a. 1 cm2芯片级范德华集成器件的光学显微图像。b. a图中所选位置的高分辨率的光学显微图像。c.高分辨率的光学显微图像，表明x轴和y轴的对准误差。d.对准误差的统计分布。e.位移矢量映射。f.对准误差分析的示意图。© Springer Nature Limited

图3具有Au/Ag触点的大面积范德华集成的MoS2二维晶体管的电学性能。a.具有6nm的HfO2电介质的短沟道器件的光学显微图像。b.短沟道器件的输出特性。c.短沟道器件的转移特性。d. 60个随机选取的具有Au/Ag触点的大面积范德华集成的MoS2二维晶体管及60个随机选取的蒸镀Au/Ag的MoS2二维晶体管的转移特性。e-i. Vth, Ion, Ioff,开关比及SS的统计分布图。© Springer Nature Limited

图4具有范德华触点的单层MoS2的反相器。a.具有范德华触点的单层MoS2反相器的结构示意图。b.器件的电压传输特性。c.对应的电压增益。d.与文献中反相器的增益比较。e.电压传输特性及镜像反射图。f.总噪声容限。© Springer Nature Limited

图5范德华集成的MoS2的逻辑门和半加器。a.大面积范德华集成的逻辑门的光学显微图像。b-d. NOR, NAND, AND逻辑门的输出特性。e.单层MoS2半加器的光学显微图像。f.相应的输出特性。© Springer Nature Limited

五、【成果启示】

本文作者展示了范德华集成工艺可应用于晶圆级二维半导体电子器件的制备，同时，通过接触式光刻技术，可以实现大面积、高精度批量对准。该集成方法不仅可用于制备高性能的MoS2晶体管，并且还可以优化工业开发工具如光电系统、计算机辅助系统等。高产晶圆级范德华集成法表明了该方法的可拓展性，标志着成功迈向大规模高性能二维电子产品。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01342-1

本文由搬砖仔儿供稿

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