Nature：受点限制，单晶二维材料生长会更好- 大数跨境

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2023-03-02

导读：麻省理工学院Jeehwan Kim、圣路易斯华盛顿大学Sang-Hoon Bae、韩国成均馆大学Jin-Hong Park等，报道了一种几何限域的非外延单晶二维材料生长方法，可在任意衬底上直接生长单晶

自上世纪六十年代以来，芯片上的晶体管数量每隔18-24个月都会翻一番，性能也会大幅提升，这种现象被业内称为“摩尔定律”。但是，这一趋势很快就将走到尽头，原因在于一旦硅基晶体管尺寸下降到一定程度，短沟道效应将无法避免，也就是说，硅基材料上晶体管的集成密度不能无限提高，而且现在已经快要摸到天花板。新型二维材料及其异质结构，理论上比传统硅基材料能够更有效地传导电荷，为光电应用领域带来了更多可能性，被视为下一代晶体管的理想材料。尽管科学家们在二维材料方面付出了巨大努力，但基于二维材料的商业化应用仍然大大落后于市场预期。

二维半导体应用路径示意图。图片来源：npj 2D Mater. Appl. ^[1]

其中，最重要的挑战之一是高质量材料和大规模生产之间的权衡。机械剥离法可以得到二维材料片层，但通常费力且产量低，不易获得单晶成品；化学气相沉积法（CVD）易于实现大批量生产，却经常受到晶界和不均匀成核的限制，与硅基半导体行业常规技术的兼容性还有待提高。二维电子产品从实验室走向产业化，有三个问题亟待解决：i）逐层二维材料生长的精确动力学控制，ii）在生长过程中单晶畴的保持，iii）层数和结晶度的晶圆级可控性。

二维材料生长的一般过程示意图。图片来源：Nature

近日，美国麻省理工学院Jeehwan Kim、圣路易斯华盛顿大学Sang-Hoon Bae、韩国成均馆大学Jin-Hong Park等研究者合作在Nature 杂志上发表论文，报道了一种几何限域（geometric confinement）的非外延（non-epitaxial）单晶二维材料生长方法，可以同时解决上述三个问题，在任意衬底上直接生长单晶畴WSe₂单层。用同样的方法进一步生长过渡金属硫族化物（TMD），还可制备单晶畴MoS₂/WSe₂异质结构。这一方法为二维材料在电子工业中的应用清除了障碍，有可能带来电子器件领域的新变革。

几何限域TMD生长示意图。图片来源：MIT^[2]

实际上，已有不少文献报道通过CVD方法制备了晶圆级TMD材料（Nat. Electron., 2021, 4, 786, 点击阅读详细）。然而，随着原子在硅衬底上沉积并成核，如果不加限制任其发展，每个“核”都会以随机方向生长，最终无法得到单晶材料。研究者别出心裁的在衬底上预先覆盖了一层SiO₂“掩模”，将衬底划分成一个个微米级沟槽。只要沟槽的尺寸足够小，CVD过程中每个区域就只会出现一个成核位点。晶核逐渐长大并填满整个沟槽，保证了WSe₂薄膜的绝对单晶畴。

选择性TMD阵列的制备机理。图片来源：Nature

研究者发现，当沟槽尺寸较大（如10 μm）时，会出现多个成核位点，导致二维材料多晶畴；而当沟槽尺寸限制在~2 μm时，无论初始成核的位置如何，每个区域都只形成了一个单晶畴。此时，WSe₂的横向生长速率约为0.4 μm min^-1，铺满第一层需要约5 min。重复生长过程，可以继续制备第二层WSe₂薄膜，同样也可以生长其他单层单晶畴的二维材料，比如MoS₂，轻松构建MoS₂/WSe₂异质结构。

WSe₂的选择性单晶畴合成及逐层限域生长。图片来源：Nature

多晶材料由于存在晶界，电子输运过程中，在遇到不同方向的晶体时往往会突然停止，从而降低材料的导电性。因此，单晶畴TMD具有更优异的电学性质，基于双层WSe₂的晶体管器件，电流开关比大于10⁸，亚阈值摆幅为240.5 mV dec⁻¹，场效应迁移率为103.5 cm²V^–1 s^–1，最大电流密度高达155.8 μA μm^–1。制备的阵列平均场效应迁移率为79.1 cm²V^–1 s^–1，方差24.1%。

双层WSe₂的电学性能。图片来源：Nature

通过该方法制备的单层和双层MoS₂场效应晶体管，迁移率分别为62.2 cm²V^–1 s^–1和88.61 cm²V^–1 s^–1 ，最大电流密度分别为86.7 μA μm^–1和129.3 μA μm^–1。由于不受外延生长的限制，可以直接采用HfO₂基底，避免了转移过程对材料带来的破坏。研究者在单层WSe₂阵列上继续生长MoS₂，可以制备出单晶畴异质结构，异质界面处未发生任何合金化，显示出大规模van der Waals集成的巨大潜力。

MoS₂限域生长及MoS₂/WSe₂异质结构的构建。图片来源：Nature

“我们解锁了一种利用二维材料重新定义摩尔定律的方法，希望我们的技术能够推动基于二维半导体的下一代高性能电子设备的开发”，Jeehwan Kim说，“这是一个非常令人震惊的结果。目前，所有半导体器件都基于硅材料，人们认为在硅上生长单晶TMD材料几乎是不可能的，现在我们证明是可以的，诀窍是限域生长防止晶界的形成” ^[2]。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Non-epitaxial single-crystal 2D material growth by geometric confinement

Ki Seok Kim, Doyoon Lee, Celesta S. Chang, Seunghwan Seo, Yaoqiao Hu, Soonyoung Cha, Hyunseok Kim, Jiho Shin, Ju-Hee Lee, Sangho Lee, Justin S. Kim, Ki Hyun Kim, Jun Min Suh, Yuan Meng, Bo-In Park, Jung-Hoon Lee, Hyung-Sang Park, Hyun S. Kum, Moon-Ho Jo, Geun Young Yeom, Kyeongjae Cho, Jin-Hong Park, Sang-Hoon Bae & Jeehwan Kim

Nature, 2023, 614, 88–94, DOI: 10.1038/s41586-022-05524-0

参考文献：

[1] X. Huang, et al., 2D semiconductors for specific electronic applications: from device to system. npj 2D Mater. Appl. 2022, 6, 51. DOI: 10.1038/s41699-022-00327-3

[2] MIT engineers grow “perfect” atom-thin materials on industrial silicon wafers

https://news.mit.edu/2023/2d-atom-thin-industrial-silicon-wafers-0118

（本文由小希供稿）

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