南京大學(xué)、東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)突破雙層二維半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)核心技術(shù)，成果登上《自然》正刊！

近日，南京大學(xué)王欣然教授團(tuán)隊(duì)與東南大學(xué)王金蘭教授團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)均勻的雙層二硫化鉬薄膜可控外延生長(zhǎng)，該成果近日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生劉蕾為第一作者，王欣然教授、李濤濤副研究員和東南大學(xué)王金蘭教授、馬亮教授為論文共同通訊作者，南京大學(xué)施毅教授、聶越峰教授、王鵬教授以及微制造與集成工藝中心對(duì)該工作進(jìn)行了指導(dǎo)和支持。該研究得到了江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

突破雙層二維半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)核心技術(shù)

集成電路摩爾定律是推動(dòng)人類(lèi)信息社會(huì)發(fā)展的源動(dòng)力。當(dāng)前，集成電路已經(jīng)發(fā)展到5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)維持晶體管尺寸微縮需要尋求材料的創(chuàng)新。近年來(lái)，以MoS2為代表的二維半導(dǎo)體在電子器件和集成電路等領(lǐng)域獲得了迅速的發(fā)展，王欣然教授課題組在該領(lǐng)域長(zhǎng)期積累，2021年在《Nature Nanotechnology》連續(xù)報(bào)道了大面積MoS2單晶制備以及MoS2驅(qū)動(dòng)的超高分辨Micro-LED顯示技術(shù)兩個(gè)成果。

盡管學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在單層二維半導(dǎo)體生長(zhǎng)方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是單層材料在面向高性能計(jì)算應(yīng)用時(shí)依然受限。相比于單層MoS2，雙層MoS2具有更窄的帶隙和更高的電子態(tài)密度，理論上可以提升驅(qū)動(dòng)電流，更適合應(yīng)用于高性能計(jì)算。然而，由于材料生長(zhǎng)熱力學(xué)的限制，“1+1=2”的逐層生長(zhǎng)方法難以給出均勻的雙層，因此層數(shù)可控的二維半導(dǎo)體外延制備一直是尚未解決的難題。

針對(duì)該問(wèn)題，王欣然教授與東南大學(xué)合作，另辟蹊徑，提出了襯底誘導(dǎo)的雙層成核以及“齊頭并進(jìn)”的全新生長(zhǎng)機(jī)制，在國(guó)際上首次報(bào)道了大面積均勻的雙層MoS2薄膜外延生長(zhǎng)。研究團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)雖然單層生長(zhǎng)在熱力學(xué)上是最穩(wěn)定的，但是通過(guò)在藍(lán)寶石表面構(gòu)建更高的“原子梯田”，可以實(shí)現(xiàn)邊緣對(duì)齊的雙層成核，從而打破了“1+1=2”的逐層生長(zhǎng)傳統(tǒng)模式局限（圖1）。研究團(tuán)隊(duì)利用高溫退火工藝，在藍(lán)寶石表面上獲得了均勻分布的高原子臺(tái)階，成功獲得了超過(guò)99%的雙層形核，并實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)的雙層連續(xù)薄膜。原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜和熒光光譜等多種表征手段均證明了雙層薄膜的均勻性。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)證明了雙層MoS2與藍(lán)寶石襯底具有特定的外延關(guān)系，以及雙層MoS2的層間具有2H和3R兩種堆垛模式，并在理論上給出了解釋。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步制造了雙層MoS2溝道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）器件陣列，并系統(tǒng)評(píng)估了其電學(xué)性能（圖2）。相比單層材料，雙層MoS2晶體管的遷移率提升了37.9%，達(dá)到~122.6cm2V-1S-1，同時(shí)器件均一性得到了大幅度提升。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)報(bào)道了開(kāi)態(tài)電流高達(dá)1.27 mA/μm的FET，刷新了二維半導(dǎo)體器件的最高紀(jì)錄，并超過(guò)了國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖所規(guī)劃的2028年目標(biāo)。

該工作突破了層數(shù)可控的二維半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了最高性能的晶體管器件。

論文作者、東南大學(xué)教授馬亮說(shuō)：“這份研究不僅突破了大面積均勻雙層二硫化鉬的層數(shù)可控外延生長(zhǎng)技術(shù)瓶頸，研制了最高性能的二硫化鉬晶體管器件，而且雙層二硫化鉬層數(shù)可控成核新機(jī)制有望進(jìn)一步拓展至其他二維材料體系的外延生長(zhǎng)，為后硅基半導(dǎo)體電子器件的替代材料提供了一種新的方向和選擇?！?/p>

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