10月27日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心（N07组）与松山湖材料实验室（二维材料团队）开发出一种直接晶圆键合及解键合方法，成功制备出高质量、晶圆级二维半导体叠层。相关成果以 “Direct bonding and debonding of two-dimensional semiconductors”为题，发表于《Nature Electronics》杂志上。

二维半导体具有原子级厚度和优异的电学性能，被视为未来集成电路的关键沟道材料。然而，具有可控层数和转角的高质量、晶圆级二维半导体堆叠结构的制备却极具挑战性。此前，二维半导体叠层的制备主要依赖直接生长和转移堆叠两种方法。直接生长受晶格匹配和热力学过程的限制，仅能在特定衬底上生长有限层数、层间取向固定的半导体晶圆。转移堆叠方法虽然能制备任意转角和层数的半导体晶圆，但有机转移介质的引入需要后处理(如刻蚀、退火等方法)来进行表面清洁，并会导致二维叠层结构的损伤和污染。

针对此挑战，团队开发的直接晶圆键合及解键合方法，可在真空或手套箱中进行，无需转移介质，可实现超洁净表面/界面和晶圆级均匀的转角。从蓝宝石表面外延的单层二硫化钼和二硒化钼等晶圆级二维半导体出发，该方法可制造多种同质和异质叠层晶圆。如图1所示。原子力显微镜、扫描透射电子显微镜、拉曼光谱、X 射线衍射、低能电子衍射和二次谐波等表征结果显示，所制备的二维半导体叠层具有高质量、超洁净表面/界面以及晶圆级均匀的层间转角（图2和图3）。

除了进行二维半导体叠层制备，直接键合-解键合方法还可以实现各种单层二维半导体从蓝宝石衬底到高κ介质（HfO₂，Al₂O₃等）衬底的直接转移，且保留其本征电学性能（图4）。与常规湿法转移样品相比，键合-解键合转移的样品具有洁净的界面，从而使制备的场效应器件具有更高的迁移率、更大的开态电流和更小的阈值电压涨落，展示出直接键合方法的优越性。

直接键合-解键合技术与主流半导体制造工艺完全兼容，解决了本征二维半导体的叠层和转移难题，有望加速二维半导体从实验室到产业化的进程。

论文第一作者为松山湖材料实验室博士后刘杰英、松山湖材料实验室联合培养博士生赵交交、李童，通讯作者为张广宇研究员。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、中国科学院战略性先导科技专项以及中国博士后创新人才支持计划等资助。

撰稿：二维材料团队