【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】以二維半導(dǎo)體性過渡金屬硫?qū)倩衔?STMDCs)為代表的二維半導(dǎo)體材料具有原子級厚度、無懸掛鍵的平整表面、合適的帶隙、較高的遷移率、強的光-物相互作用等優(yōu)勢，可用于構(gòu)筑亞納米晶體管并有效降低器件功耗，進(jìn)而實現(xiàn)三維異質(zhì)異構(gòu)集成，是延續(xù)集成電路摩爾定律的重要候選材料。大尺寸單層STMDCs單晶晶圓的可控制備是實現(xiàn)其在集成電路中應(yīng)用的關(guān)鍵，而實現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是選擇并設(shè)計合適的單晶基底以誘導(dǎo)上層STMDCs的單一取向生長，進(jìn)而使其無縫拼接形成單晶晶圓。目前絕緣性的藍(lán)寶石基底因其價格低廉、熱穩(wěn)定性好、與半導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)勢，逐漸成為理想的外延生長基底，然而藍(lán)寶石基底在高溫退火后會形成高對稱性的表面結(jié)構(gòu)，使得上層STMDCs出現(xiàn)多個等價取向，拼接后會形成多晶薄膜，影響后續(xù)的高性能器件應(yīng)用。如何對藍(lán)寶石進(jìn)行有效的表面修飾以降低其對稱性、誘導(dǎo)STMDCs的穩(wěn)健外延生長，是目前二維半導(dǎo)體單晶薄膜外延生長領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。
 

　　基于此，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張艷鋒教授課題組，聯(lián)合北京大學(xué)電子學(xué)院邱晨光副教授、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所夏靜高級工程師，提出了基于藍(lán)寶石基底的同質(zhì)金屬元素表面修飾生長策略，即在藍(lán)寶石基底表面先形成與上層STMDCs具有同種金屬元素的修飾層，再進(jìn)行二維半導(dǎo)體外延生長。理論和實驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該修飾層可有效降低藍(lán)寶石表面的對稱性，從而誘導(dǎo)上層STMDCs疇區(qū)的單一取向生長并無縫拼接生長成晶圓級單晶薄膜。該生長策略可有效解決二維半導(dǎo)體單晶薄膜制備上存在的生長取向度低、不同批次生長穩(wěn)定性差及實驗窗口狹窄等問題?？傊?，本工作提出了普適性的二維半導(dǎo)體外延生長的可行路線，深入闡釋了影響單晶外延生長的關(guān)鍵機制和因素，對二維半導(dǎo)體單晶薄膜的晶圓級制備具有重要參考意義。相關(guān)成果以《藍(lán)寶石基底的同質(zhì)金屬元素表面修飾策略用于晶圓級單晶二維半導(dǎo)體材料的穩(wěn)健外延》(Homo-metal-element mediated surface modification of sapphire for robust epitaxy of wafer-scale single-crystalline 2D semiconductors)為題發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)期刊。
 

　　該策略的核心在于在藍(lán)寶石表面沉積相應(yīng)的金屬氧化物后進(jìn)行高溫退火，藍(lán)寶石中的Al2O3會與金屬氧化物發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)，形成具有O-M-O-Al型原子排布的表面修飾層(其中M為Mo或W)，該修飾層具有一重對稱性，可有效打破上層STMDCs生長時雙取向疇區(qū)的能量簡并，誘導(dǎo)單層STMDCs疇區(qū)的單一取向排列。在生長上結(jié)合“面對面”的金屬前驅(qū)體供給策略，在較短時間內(nèi)(約15分鐘)實現(xiàn)2英寸單層STMDCs單晶薄膜的高品質(zhì)、可重復(fù)制備。理論計算表明：與常用藍(lán)寶石基底相比，具有低對稱性表面修飾層的藍(lán)寶石基底，其上0°和60°取向的單層WS2疇區(qū)的結(jié)合能差值可增加約55倍(從~0.001eV/Watom提升至~0.055eV/Watom)，可誘導(dǎo)外延疇區(qū)沿結(jié)合能穩(wěn)定方向擇優(yōu)生長，形成單一取向的外延生長模式。
 

　　該策略可適用于多種二維STMDCs材料(如WS2、MoS2等)的外延生長，光譜學(xué)(拉曼、熒光、二次諧波產(chǎn)生面掃圖)、原子分辨的掃描透射電子顯微鏡(STEM)和電學(xué)器件的跨尺度表征結(jié)果，均證實了制備的晶圓級單層STMDCs單晶薄膜高的晶體質(zhì)量和大面積層數(shù)和取向的均一性?；趩螌覹S2單晶薄膜構(gòu)筑的大面積場效應(yīng)晶體管(FETs)器件陣列，電流開關(guān)比均為108以上，平均遷移率與最高遷移率可達(dá)約40.2cm2V-1s-1和48.2cm2V-1s-1，優(yōu)于大多數(shù)已報導(dǎo)的單層WS2基FETs器件性能?？傊?，該工作為二維半導(dǎo)體單晶晶圓的產(chǎn)業(yè)化制備提供了新策略，加深對二維STMDCs外延生長機制的理解，并將推動其在集成電路、顯示、傳感等領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。
 

　　北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生王嘉龍、北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士研究生鄭毅豪為論文共同第一作者，張艷鋒、邱晨光、夏靜為論文共同通訊作者。論文的主要合作者有北京大學(xué)電子學(xué)院彭練矛院士、上海科技大學(xué)紀(jì)清清研究員、北京大學(xué)物理學(xué)院杜進(jìn)隆工程師、北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院林立研究員等。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等的大力支持以及北京大學(xué)材料加工與測試中心、微納加工實驗室的平臺支持。
 

　　引用：材料科學(xué)與工程學(xué)院張艷鋒課題組與合作者在晶圓級二維半導(dǎo)體單晶薄膜外延生長方面取得新進(jìn)展-北京大學(xué)【引用時間：2026年9月9日】