二維（2D）半導體，例如二硫化鉬（MoS2）在晶體管應用領域引起了人們巨大的興趣，然而，使用傳統光刻或沉積工藝制造的2D晶體管通常會對原子晶格造成不希望的損壞和污染，從而降低器件性能并導致器件之間的產生巨大差異。
在此，湖南大學段曦東教授和劉淵教授等人展示了一種高度可重復的范德華集成工藝，用于從通過化學氣相沉積生長的單層MoS2中，進行高性能晶體管和邏輯電路的晶片級制造的集成過程。通過設計石英/聚二甲基硅氧烷（PDMS）半剛性印章，并為范德華集成工藝調整標準光刻掩模對準器，本文的策略可確保在收集/釋放過程中具有均勻的機械力和無氣泡的無皺界面，這對于大面積上穩健的范德華集成至關重要。
同時，本文可擴展的范德華集成過程允許在晶片尺度上對單層MoS2上的高質量觸點進行無損傷集成，并能夠實現高性能的2D晶體管。與傳統光刻技術相比，范德華接觸器件具有原子級干凈的界面，具有更小的閾值變化、更高的導通電流、更小的關斷電流、更大的開/關比和更小的亞閾值擺幅。
此外，該方法進一步用于創建各種邏輯門和電路，包括電壓增益高達585的逆變器，以及邏輯OR門，NAND門，AND門和半加器電路。這種可擴展的范德華積分方法可用于2D半導體與成熟行業技術的可靠集成，促進2D半導體電子的技術轉型。
相關文章以“Highly reproducible van der Waals integration of two-dimensional electronics on the wafer scale”為題發表在Nature Nanotechnology上。
研究表明，與三維（3D）體半導體相比，2D半導體具有原子薄的幾何形狀和無懸垂鍵的表面，可以在亞納米厚度極限下表現出優異的電子性能，并對短通道效應具有出色的抗擾度，從而在低于10 nm的柵極長度范圍內提供最終的晶體管縮放。特別是，MoS2柵極長度為1 nm的晶體管具有出色的開關特性，突出了2D半導體在晶體管持續縮放方面的巨大潛力。
為了實現實際的工業應用，2D半導體的可擴展合成和高性能晶體管的工業化兼容制造至關重要。令人鼓舞的是，單層2D半導體的大面積合成，特別是半導體過渡金屬硫化合物，最近通過固源化學氣相沉積（CVD）實現了。
最近的研究表明，無鍵范德華（vdW）接觸，使用2D金屬或半金屬制成2D/3D混合堆棧或3D金屬，可以最大限度地減少界面損傷，有效提高金屬-半導體接觸的質量。然而，這些方法中的大多數都是基于不可擴展的策略。
人們普遍認為，傳統的光刻工藝通常會在2D材料上引入聚合物殘留物，并且直接金屬化學工藝會在2D半導體上造成不受控制的損壞，例如缺陷，金屬擴散和化學鍵合。vdW集成可以在2D半導體上實現無損壞的金屬集成，并產生近乎理想的金屬-半導體接觸。
為此，本文通過有效控制vdW力，報告了一種高效的大面積vdW集成工藝，用于在CVD生長的單層MoS2的2英寸晶圓上可擴展地制造高性能晶體管和邏輯電路。
首先，作者使用等離子鍵合方法將大面積PDMS印章與堅硬的石英支架緊密結合，然后將其用于剝離和拾取聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）封裝的電極陣列。獨特的vdW集成設計與石英/ PDMS半剛性印章經過優化，可施加均勻的機械力，具有最小的結構變形，并且在PDMS和PMMA的界面之間沒有任何橫向滑動，這種保形接觸、無氣泡和無皺的界面對于確保PDMS印章和PMMA/金屬層之間有足夠的vdW力至關重要。
接下來，作者使用兩個標準對準標記并使用帶有定制雙透鏡轉移平臺的光學顯微鏡，將石英/PDMS/PMMA/金屬層直接對準目標襯底。最后，通過將基板加熱到120℃來剝離石英/ PDMS印章，以減少PDMS和PMMA之間的vdW力，將PMMA/金屬留在接收襯底上。
此外，本文的方法與成熟的行業技術兼容，并且可以與2英寸晶圓上的預制高介電常數氧化物和金屬柵極氧化物半導體器件對齊。vdW集成方法允許在單層MoS2上無損集成高質量觸點使2D晶體管具有高性能和高再現性。
集成vdW的場效應晶體管（FET）可以輕松實現高性能邏輯逆變器，最高電壓增益高達585，以及更復雜的NOR柵極、NAND柵極和半加器電路。這些研究證明了二維晶體管和邏輯電路在大面積CVD生長的MoS2上的可擴展vdW集成。
圖3.?具有Ag/Au接觸點的大面積vdW集成單層二硫化鉬FETs的電子性能
段曦東教授近年來一直從事新二維材料和二維復雜結構（包括橫向和垂直異質結、多異質結、超晶格、異質結陣列）的制備、表征和在電子、 光電子、催化等領域應用等的研究。
近五年相關研究以通訊作者或第一作者發表SCI論文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），其中熱點論文2篇， 高被引論文 7 篇，論文近五年他引2800 余次，單篇論文引用超500次。有授權專利7項。
獲2017年湖南省自然科學一等獎（排名第二），獲2017年中國電子科技十大進展獎，2018年獲湖南大學岳麓學者特聘教授A崗,2019年獲國家自然科學二等獎(排名第三)。他通過精確調控二維材料的化學成分和電子結構，在國際上率先制備出了人類歷史上第一個原子級薄的二維材料橫向異質結；并成功示范了其在光電檢測、光伏效應和反相器方 面的應用。以所發表的二維材料工作為基礎撰寫了二維材料研究進展綜述。2017年和段鑲鋒教授合作，實現了2D異質節、 多異質節以及超晶格的可控外延生長（Science 2017），這是以湖南大學為第一作者和第一單位發表的首篇Science論文。
劉淵教授于浙江大學電子信息工程專業獲得學士學位，于加州大學洛杉磯分校材料科學工程專業獲得博士學位，隨后在加州大學洛杉磯分校/加州納米研究院從事博士后研究，現為湖南大學物理微電子學院教授，博士生導師，黨委書記。劉淵教授針對未來器件需求開展了基于范德華異質集成的低功耗二維晶體管、柔性顯示微納器件的構建。迄今共發表學術論文90余篇，包括以第一/通訊作者發表Nature 4篇、Nature 子刊8篇，引用12000余次，2018-2020入選科睿唯安高被引學者。劉淵教授獲2021年“達摩院青橙獎”。
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
來源：http://nanotech.hnu.edu.cn/people/professor_duanxd.html
http://gdsfzx.snnu.edu.cn/info/1164/1420.htm
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