二維半導體晶圓的直接鍵合 | 進展

二維半導體具有原子級厚度和優異的電學性能，被視為未來集成電路的關鍵溝道材料。然而，具有可控層數和轉角的高質量、晶圓級二維半導體堆疊結構的制備卻極具挑戰性。此前，二維半導體疊層的制備主要依賴直接生長和轉移堆疊兩種方法。直接生長受晶格匹配和熱力學過程的限制，僅能在特定襯底上生長有限層數、層間取向固定的半導體晶圓。轉移堆疊方法雖然能制備任意轉角和層數的半導體晶圓，但有機轉移介質的引入需要后處理(如刻蝕、退火等方法)來進行表面清潔，并會導致二維疊層結構的損傷和污染。

針對此挑戰，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心張廣宇研究團隊（N07組）和他在松山湖材料實驗室的二維材料團隊，劉杰英博士等人開發出一種直接晶圓鍵合及解鍵合方法，成功制備出高質量、晶圓級二維半導體疊層。該方法可在真空或手套箱中進行，無需轉移介質，可實現超潔凈表面/界面和晶圓級均勻的轉角。從藍寶石表面外延的單層二硫化鉬和二硒化鉬等晶圓級二維半導體出發，該方法可制造多種同質和異質疊層晶圓。如圖所示。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果顯示，所制備的二維半導體疊層具有高質量、超潔凈表面/界面以及晶圓級均勻的層間轉角。

圖：用直接鍵合-解鍵合實現晶圓級二維材料的轉移

除了進行二維半導體疊層制備，直接鍵合-解鍵合方法還可以實現各種單層二維半導體從藍寶石襯底到高κ介質（HfO?，Al?O?等）襯底的直接轉移，且保留其本征電學性能。與常規濕法轉移樣品相比，鍵合-解鍵合轉移的樣品具有潔凈的界面，從而使制備的場效應器件具有更高的遷移率、更大的開態電流和更小的閾值電壓漲落，展示出直接鍵合方法的優越性。

直接鍵合-解鍵合技術與主流半導體制造工藝完全兼容，解決了本征二維半導體的疊層和轉移難題，有望加速二維半導體從實驗室到產業化的進程。該研究以 “Direct bonding and debonding of two-dimensional semiconductors”為題，發表于《Nature Electronics》雜志上。研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目、中國科學院戰略性先導科技專項以及中國博士后創新人才支持計劃等資助。

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