記者4月27日從西湖大學(xué)獲悉，該校工學(xué)院孔瑋教授團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)晶圓級單晶二硫化鉬薄膜在柔性基底上的高質(zhì)量集成，將單晶二維半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移集成技術(shù)從“濕法”推進(jìn)到“干法”路線，為突破長期制約高性能柔性電子發(fā)展的技術(shù)瓶頸提供了新路徑。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《自然·電子》期刊。
柔性襯底上的二硫化鉬邏輯器件。
以單晶二硫化鉬為代表的二維半導(dǎo)體材料，兼具原子級厚度的柔韌性與卓越電學(xué)性能，是發(fā)展高性能柔性電子器件的重要候選材料。但其潔凈、高質(zhì)量、可規(guī)模化的轉(zhuǎn)移集成一直是行業(yè)難題。
“單晶二硫化鉬由一層鉬原子和兩層硫原子組成，厚度僅約0.6納米，晶體取向高度一致，能夠減少晶界和缺陷帶來的載流子散射與漏電問題?！痹撗芯康谝蛔髡?、浙江大學(xué)/西湖大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生徐翔介紹。此前，這類材料通常通過化學(xué)氣相沉積法在藍(lán)寶石襯底上外延生長，并采用“濕法轉(zhuǎn)移”技術(shù)轉(zhuǎn)移至柔性基底。但該方法需使用聚合物、水或有機(jī)溶劑，會在材料表面留下難以根除的殘留，影響材料本身的優(yōu)異性能，且難以滿足高一致性的大面積器件集成。
氧化物干法（左）和濕法轉(zhuǎn)移（右）的材料通過原子力顯微鏡對比。
面對這一困境，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開發(fā)出基于氧化物的干法轉(zhuǎn)移策略。該工藝先通過電子束蒸發(fā)沉積一層極薄的三氧化二鋁，用于增強(qiáng)氧化物與二硫化鉬之間的界面結(jié)合；再用原子層沉積技術(shù)覆蓋另一層三氧化二鋁，形成高質(zhì)量高介電常數(shù)柵介質(zhì)層。轉(zhuǎn)移工藝全程避免二硫化鉬表面與聚合物、水或有機(jī)溶劑直接接觸，有效保留材料本征特性。
“基于該工藝，我們構(gòu)建的晶圓級高密度柔性晶體管陣列，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)性能突破?！笨赚|介紹，該器件具備超高電流開關(guān)比，出色的遷移率體現(xiàn)出良好的載流子輸運(yùn)能力，同時(shí)具備優(yōu)異的柵控能力和快速開關(guān)特性。
研究團(tuán)隊(duì)還將該晶體管陣列用于主動矩陣觸覺傳感系統(tǒng)，并貼合在軟體機(jī)器人手爪表面。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)感知和繪制壓力分布，幫助機(jī)器人識別物體的形狀、位置和大小，展示了該技術(shù)在智能觸覺感知和電子皮膚中的應(yīng)用潛力。
（西湖大學(xué)供圖）
