二维（2D）半导体，例如二硫化钼（MoS2）在晶体管应用领域引起了人们巨大的兴趣，然而，使用传统光刻或沉积工艺制造的2D晶体管通常会对原子晶格造成不希望的损坏和污染，从而降低器件性能并导致器件之间的产生巨大差异。在此，湖南大学段曦东教授和刘渊教授等人展示了一种高度可重复的范德华集成工艺，用于从通过化学气相沉积生长的单层MoS2中，进行高性能晶体管和逻辑电路的晶片级制造的集成过程。通过设计石英/聚二甲基硅氧烷（PDMS）半刚性印章，并为范德华集成工艺调整标准光刻掩模对准器，本文的策略可确保在收集/释放过程中具有均匀的机械力和无气泡的无皱界面，这对于大面积上稳健的范德华集成至关重要。同时，本文可扩展的范德华集成过程允许在晶片尺度上对单层MoS2上的高质量触点进行无损伤集成，并能够实现高性能的2D晶体管。与传统光刻技术相比，范德华接触器件具有原子级干净的界面，具有更小的阈值变化、更高的导通电流、更小的关断电流、更大的开/关比和更小的亚阈值摆幅。此外，该方法进一步用于创建各种逻辑门和电路，包括电压增益高达585的逆变器，以及逻辑OR门，NAND门，AND门和半加器电路。这种可扩展的范德华积分方法可用于2D半导体与成熟行业技术的可靠集成，促进2D半导体电子的技术转型。相关文章以“Highly reproducible van der Waals integration of two-dimensional electronics on the wafer scale”为题发表在Nature Nanotechnology上。
研究表明，与三维（3D）体半导体相比，2D半导体具有原子薄的几何形状和无悬垂键的表面，可以在亚纳米厚度极限下表现出优异的电子性能，并对短通道效应具有出色的抗扰度，从而在低于10 nm的栅极长度范围内提供最终的晶体管缩放。特别是，MoS2栅极长度为1 nm的晶体管具有出色的开关特性，突出了2D半导体在晶体管持续缩放方面的巨大潜力。为了实现实际的工业应用，2D半导体的可扩展合成和高性能晶体管的工业化兼容制造至关重要。令人鼓舞的是，单层2D半导体的大面积合成，特别是半导体过渡金属硫化合物，最近通过固源化学气相沉积（CVD）实现了。最近的研究表明，无键范德华（vdW）接触，使用2D金属或半金属制成2D/3D混合堆栈或3D金属，可以最大限度地减少界面损伤，有效提高金属-半导体接触的质量。然而，这些方法中的大多数都是基于不可扩展的策略。
人们普遍认为，传统的光刻工艺通常会在2D材料上引入聚合物残留物，并且直接金属化学工艺会在2D半导体上造成不受控制的损坏，例如缺陷，金属扩散和化学键合。vdW集成可以在2D半导体上实现无损坏的金属集成，并产生近乎理想的金属-半导体接触。为此，本文通过有效控制vdW力，报告了一种高效的大面积vdW集成工艺，用于在CVD生长的单层MoS2的2英寸晶圆上可扩展地制造高性能晶体管和逻辑电路。首先，作者使用等离子键合方法将大面积PDMS印章与坚硬的石英支架紧密结合，然后将其用于剥离和拾取聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）封装的电极阵列。独特的vdW集成设计与石英/ PDMS半刚性印章经过优化，可施加均匀的机械力，具有最小的结构变形，并且在PDMS和PMMA的界面之间没有任何横向滑动，这种保形接触、无气泡和无皱的界面对于确保PDMS印章和PMMA/金属层之间有足够的vdW力至关重要。接下来，作者使用两个标准对准标记并使用带有定制双透镜转移平台的光学显微镜，将石英/PDMS/PMMA/金属层直接对准目标衬底。最后，通过将基板加热到120℃来剥离石英/ PDMS印章，以减少PDMS和PMMA之间的vdW力，将PMMA/金属留在接收衬底上。此外，本文的方法与成熟的行业技术兼容，并且可以与2英寸晶圆上的预制高介电常数氧化物和金属栅极氧化物半导体器件对齐。vdW集成方法允许在单层MoS2上无损集成高质量触点使2D晶体管具有高性能和高再现性。集成vdW的场效应晶体管（FET）可以轻松实现高性能逻辑逆变器，最高电压增益高达585，以及更复杂的NOR栅极、NAND栅极和半加器电路。这些研究证明了二维晶体管和逻辑电路在大面积CVD生长的MoS2上的可扩展vdW集成。图3. 具有Ag/Au接触点的大面积vdW集成单层二硫化钼FETs的电子性能图5. vdW集成的MoS2逻辑门和半加器
段曦东教授近年来一直从事新二维材料和二维复杂结构（包括横向和垂直异质结、多异质结、超晶格、异质结阵列）的制备、表征和在电子、 光电子、催化等领域应用等的研究。近五年相关研究以通讯作者或第一作者发表SCI论文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），其中热点论文2篇， 高被引论文 7 篇，论文近五年他引2800 余次，单篇论文引用超500次。有授权专利7项。获2017年湖南省自然科学一等奖（排名第二），获2017年中国电子科技十大进展奖，2018年获湖南大学岳麓学者特聘教授A岗,2019年获国家自然科学二等奖(排名第三)。他通过精确调控二维材料的化学成分和电子结构，在国际上率先制备出了人类历史上第一个原子级薄的二维材料横向异质结；并成功示范了其在光电检测、光伏效应和反相器方 面的应用。以所发表的二维材料工作为基础撰写了二维材料研究进展综述。2017年和段镶锋教授合作，实现了2D异质节、 多异质节以及超晶格的可控外延生长（Science 2017），这是以湖南大学为第一作者和第一单位发表的首篇Science论文。刘渊教授于浙江大学电子信息工程专业获得学士学位，于加州大学洛杉矶分校材料科学工程专业获得博士学位，随后在加州大学洛杉矶分校/加州纳米研究院从事博士后研究，现为湖南大学物理微电子学院教授，博士生导师，党委书记。刘渊教授针对未来器件需求开展了基于范德华异质集成的低功耗二维晶体管、柔性显示微纳器件的构建。迄今共发表学术论文90余篇，包括以第一/通讯作者发表Nature 4篇、Nature 子刊8篇，引用12000余次，2018-2020入选科睿唯安高被引学者。刘渊教授获2021年“达摩院青橙奖”。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来源：http://nanotech.hnu.edu.cn/people/professor_duanxd.htmlhttp://gdsfzx.snnu.edu.cn/info/1164/1420.htm【做计算 找华算】华算科技专注DFT代算服务、正版商业软件版权、全职海归计算团队，10000+成功案例！计算内容涉及材料结构、掺杂、缺陷、表面能、吸附能、能带、PDOS、反应路径、OER、HER、ORR、CO2RR、NRR、自由能台阶图、火山理论、d带中心、电位、容量、电导率、离子扩散、过渡态+AIMD、HOMO/LUMO、电池材料、电解液、异质结、半导体等。添加下方微信好友，立即咨询（电话/微信：13129551561）：