近日，我校合肥微尺度物質科學國家研究中心曾華凌教授、物理學院喬振華教授和化學與材料科學學院邵翔教授在二維電學器件范德華接觸研究中取得新進展，展示了一種制備二維電學器件的“全堆疊”技術，優化了二維材料與金屬電極之間的界面接觸，為二維電學器件的制備提供了一種高效、高質量且高穩定性的普適方法。相關研究成果于5月30日以“Reliable wafer-scale integration of two-dimensional materials and metal electrodes with van der Waals contacts”為題在線發表在國際學術期刊《自然·通訊》上(Nat. Commun.15:4619(2024))。

在二維電學器件制備的常規工藝中，金屬電極的蒸鍍是一個關鍵環節。蒸發的高能量金屬原子在沉積到二維材料表面的過程中極易造成其晶格損傷，從而引入大量缺陷，在影響電極/二維材料界面電學接觸的同時，導致嚴重的費米釘扎效應，最終影響器件的電學性能。因此，實現二維材料和金屬電極間的可靠電學接觸成為了改善二維電學器件性能的關鍵問題。近年來的研究表明，對于二維電學器件，邊緣接觸是一種理想的電學接觸模式，但其技術難度較大，難以規模化應用。相比之下，在二維材料表面實現范德華接觸可能是一種更好的選擇。范德華接觸是指二維材料和金屬電極通過范德華力相作用，這種方式在避免引入大量缺陷的同時能夠實現較好的電學接觸，具有更強的操作性和大規模應用的潛力。

為了實現可靠的二維范德華接觸，該團隊開發了一種“全堆疊”技術，在二維電學器件的制備過程中，實現金屬電極與二維材料的直接堆疊，避免了金屬蒸鍍等環節，從而保護了二維材料免受損傷，并實現了優良的電學性能。如圖1所示，利用全堆疊技術制備的二維電學器件具有銳利的金屬-半導體接觸界面，界面處存在平整、清晰的范德華間隙，并且二維材料一側沒有金屬原子的摻雜，這表明金屬電極和二維半導體之間形成了高質量的范德華接觸。由于接觸界面的改善，全堆疊技術制備的二維半導體晶體管相比于金屬蒸鍍工藝，關態電流降低了95%以上，亞閾值擺幅降低了50%，同時具備更高的開關比，在實現低功耗集成電路方面更具優勢。

圖1. 全堆疊技術及制備的二維電學器件。（a-b）范德華襯底輔助的金屬電極剝離及全堆疊技術示意圖；（c-d）全堆疊技術制備的二維電學器件截面原子圖像及元素分布，展示了金屬- 二維半導體間銳利的范德華界面（3.7 ?）；（e-f）全堆疊技術制備的二維場效應晶體管電學性能，其開關比高達10⁷，亞閾值擺幅約5 V/dec，比利用蒸鍍電極制備的晶體管器件性能提升一個數量級。

為了展示全堆疊技術在晶圓級制造上的潛力，團隊利用該技術制備了單層二硫化鉬的場效應晶體管陣列（如圖2所示），器件良率高達98.4%，表現出優異的一致性和穩定性。這一晶體管陣列的平均開關比為6.8×10⁶，其中開關比大于10⁶的器件占比達91.3%。晶體管陣列的優良性能和高度一致性進一步證明了全堆疊技術在實現二維電學器件可靠電學接觸方面的優勢，表明該技術有望為未來二維電學器件的工業級制造提供新的技術路徑。

圖2. 單層二硫化鉬場效應晶體管陣列制備及電學性能。 （ a ）全堆疊技術制備的單層MoS₂場效應晶體管陣列；（ b ）396個單層MoS₂晶體管的開態電流分布統計；（ c-d ）366個單層MoS₂晶體管的轉移特性曲線及開態電流、開關比統計分布（排除擊穿及損壞器件）。

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心博士研究生張曉東、博士后黃辰曦和李澤宇為本論文的共同第一作者。這項研究得到了中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、科技創新2030重大項目、華米創新創業基金、國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費等科研項目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49058-7

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、科研部）