二维材料也称范德华材料,单层的二维材料一般仅有原子级的厚度,层与层之间靠范德华力相结合,层内的原子以共价键的形式连接。二维半导体仅有原子级薄的体厚度,因此可以克服短沟道效应,降低漏电和功耗,实现晶体管的进一步微缩,提高集成密度,已经被视为延续摩尔定律的候选材料。然而,原子级薄的体厚度的二维半导体在器件集成和性能调控方面也面临极大挑战,常规的高能量集成工艺(如热蒸发、磁控溅射、原子层沉积和离子注入等)会破坏脆弱的二维晶格(图1a),限制了二维半导体器件的性能及其应用前景。
范德华集成是一种低能量的集成工艺,能够避免集成工艺对二维半导体的晶格产生破坏,在二维材料的异质集成方面具有巨大的应用前景。尤其是间接范德华集成方法,通过将预制备的材料和从牺牲衬底上剥离下来,然后层压到二维半导体上,实现范德华集成(图1b)。在该方法中,所有的高能量的集成工艺均在牺牲衬底上进行,能够避免预制备材料的高能量工艺对二维半导体产生破坏;其次,二维半导体与转移材料的界面为范德华界面,能够有效保证二维半导体的本征性质。
图1. 二维半导体的常规高能量集成和范德华低能量集成
随着各种二维材料的成功制备,具有原子级平整界面的二维材料在范德华异质集成方面展现了新奇的物理现象和优异的电学性能,为基础学科和新颖器件概念的研究提供了广阔的平台。如图2所示,范德华集成了不同结构和功能的二维器件,例如:2D/2D平面晶体管、2D/2D垂直晶体管、0D/2D光电二极管、1D/2D高速晶体管、1.5D/2D晶体管和2D/3D垂直晶体管等,并展示出了优异的电学性能。用氮化硼封装的石墨烯范德华2D/2D平面晶体管,石墨烯能够实现室温下超高载流子迁移率;金纳米颗粒在石墨烯上的无损伤范德华集成的0D/2D光电晶体管,能够显著增强石墨烯光电探测器的光电流;纳米线在二维材料上的范德华集成形成了自对准沟道长度的1D/2D高速晶体管,能够实现超快的石墨烯晶体管;将三维金属与二维半导体范德华集成的晶体管,能够集成接近肖特基-莫特极限的势垒高度可调的高性能器件。
图2. 二维半导体器件的范德华异质集成