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二维（2D）半导体在下一代电子器件中潜力巨大，但洁净完整转移至兼容衬底是难题。研究人员开发硒（Se）介导干法转移技术，实现晶圆级二硫化钼（MoS?）单层高洁净、高完整性转移，器件开关电流比达 2.7×101?，电子迁移率 71.3 cm2?V?1?s?1，为 2D 电子器件集成铺路。
在半导体技术飞速发展的今天，二维（2D）材料因其原子级厚度和独特的光电特性，被视为突破传统硅基器件物理极限的关键候选者，在下一代集成电路（ICs）、柔性电子、传感器等领域展现出广阔前景。然而，二维半导体从生长衬底到目标衬底的转移过程一直面临严峻挑战：传统湿法转移依赖化学溶液去除支撑层，易导致材料结构损伤、污染残留；干法转移虽避免液体干扰，但常用的聚合物或金属中间层仍需化学剥离，残留污染物会显著降低器件性能。如何实现大面积、高洁净、无损伤的二维材料转移，成为制约其实际应用的 “卡脖子” 问题。
为攻克这一难题，中国科学院物理研究所、松山湖材料实验室等机构的研究人员开展了深入研究。他们开发出一种硒（Se）介导的干法转移技术，成功实现了晶圆级二硫化钼（MoS?）单层的高质量转移，并基于该材料制备出高性能场效应晶体管（FETs）和逻辑电路。相关成果发表在《Nature Communications》，为二维半导体的大规模集成提供了关键技术突破。
研究团队采用的核心技术包括：
- 硒中间层沉积：在蓝宝石衬底生长的 MoS?单层上沉积约 500 nm 厚的硒层，利用硒与 MoS?间较强的结合力实现机械剥离。
- 干法转移流程：通过聚碳酸酯（PPC）支撑层和水溶胶带辅助，将 “PPC/Se/MoS?” 叠层从蓝宝石剥离并转移至目标衬底，随后通过反应离子刻蚀（RIE）去除 PPC，利用硒的低熔点（221℃）在氮气氛围中热蒸发去除中间层，最终获得洁净的 MoS?薄膜。
- 材料与器件表征：结合拉曼光谱、原子力显微镜（AFM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）等手段，验证转移后 MoS?的结构完整性和表面洁净度；通过制备 FETs 和逻辑电路，测试其电学性能。
结果分析
1. 硒介导转移工艺的有效性
拉曼光谱显示，转移后的 MoS?仅保留特征振动峰（E?g 和 A?g），硒的特征峰完全消失，X 射线光电子能谱（XPS）也未检测到硒残留，证实中间层被彻底去除。原子力显微镜表明，转移后 MoS?表面均方根粗糙度（RMS）低至 0.19 nm，显著优于传统 PMMA 湿法转移的 0.65 nm，且大面积无裂纹、褶皱，证明该工艺能实现高洁净、高完整性转移。
2. 器件电学性能优异
基于转移后 MoS?制备的场效应晶体管表现出优异性能：开关电流比（Ion/Ioff）高达 2.7×101?，电子迁移率达 71.3 cm2?V?1?s?1，且迟滞电压仅 0.08 V，表明材料表面洁净，界面电荷陷阱少。对比实验显示，PMMA 湿法转移的器件因残留污染，性能显著下降（Ion/Ioff 低至 8.3×10?，迁移率降低）。
3. 大规模逻辑电路集成潜力
研究团队进一步制备了 AND、NAND、NOR 等逻辑门及 3/5/11 级环形振荡器（ROs）。逻辑门实现了准确的布尔输出，11 级 ROs 振荡频率达 276 kHz，每级延迟时间仅 0.16 μs，且大面积均匀性良好。相比之下，PMMA 转移的 ROs 性能明显较低，验证了硒介导转移在大规模电路中的优势。
结论与意义
该研究开发的硒介导干法转移技术，通过物理剥离和热蒸发去除中间层，避免了化学污染和结构损伤，实现了晶圆级 MoS?的高洁净转移。其关键优势包括：
- 工艺兼容性：无需复杂化学处理，可与现有半导体工艺兼容，适合批量生产。
- 性能提升：转移后的 MoS?保持原子级结构完整性，器件电学性能接近理论极限，为高性能二维电子器件奠定基础。
- 应用拓展：该技术有望推广至其他二维材料（如 WS?、黑磷等），推动二维半导体在柔性电子、光电子等领域的实际应用。
这项工作不仅解决了二维材料转移的核心技术难题，也为 “后摩尔时代” 半导体技术提供了新路径，加速了二维材料从实验室到产业化的进程，对未来电子器件的小型化、高性能化具有里程碑式意义。
