二維半導(dǎo)體被視為未來(lái)集成電路的關(guān)鍵溝道材料。然而,具有可控層數(shù)和轉(zhuǎn)角的高質(zhì)量、晶圓級(jí)二維半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)的制備卻頗具挑戰(zhàn)性。

近日,中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心張廣宇研究團(tuán)隊(duì)等,開發(fā)出直接晶圓鍵合及解鍵合方法,制備出高質(zhì)量、晶圓級(jí)二維半導(dǎo)體疊層。該方法可在真空或手套箱中進(jìn)行,無(wú)需轉(zhuǎn)移介質(zhì),可實(shí)現(xiàn)超潔凈表面/界面和晶圓級(jí)均勻的轉(zhuǎn)角。從藍(lán)寶石表面外延的單層二硫化鉬和二硒化鉬等晶圓級(jí)二維半導(dǎo)體出發(fā),該方法可制造多種同質(zhì)和異質(zhì)疊層晶圓。原子力顯微鏡、掃描透射電子顯微鏡、拉曼光譜、X 射線衍射、低能電子衍射和二次諧波等表征結(jié)果顯示,所制備的二維半導(dǎo)體疊層具有高質(zhì)量、超潔凈表面/界面以及晶圓級(jí)均勻的層間轉(zhuǎn)角。

除進(jìn)行二維半導(dǎo)體疊層制備,直接鍵合-解鍵合方法還可以實(shí)現(xiàn)各種單層二維半導(dǎo)體從藍(lán)寶石襯底到高κ介質(zhì)襯底的直接轉(zhuǎn)移,并能夠保留其本征電學(xué)性能。與常規(guī)濕法轉(zhuǎn)移樣品相比,鍵合-解鍵合轉(zhuǎn)移的樣品具有潔凈的界面,使制備的場(chǎng)效應(yīng)器件具有更高的遷移率、更大的開態(tài)電流和更小的閾值電壓漲落,展示出直接鍵合方法的優(yōu)越性。

直接鍵合-解鍵合技術(shù)與主流半導(dǎo)體制造工藝完全兼容,解決了本征二維半導(dǎo)體的疊層和轉(zhuǎn)移難題,有望加速二維半導(dǎo)體從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·電子學(xué)》(Nature Electronics)上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。

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直接鍵合-解鍵合實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)二維材料的轉(zhuǎn)移