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纳米技术

2021-04-15

第一作者：徐晓龙

通讯作者：叶堉

通讯作者单位：北京大学

MoS₂、黑磷等二维van der Waals半导体材料有望在晶硅技术中得以应用，这是因为此类材料具有原子层厚度，优异的物理学性质、能够兼容传统的CMOS技术等优势。将二维van der Waals半导体材料集成到Si半导体电子学中，非常关键的一点在于合成体积较大、均一高晶化度的薄膜。目前人们期望在绝缘基底上生长晶圆大小的单晶二维半导体薄膜，但是这种技术仍难以实现。

有鉴于此，北京大学叶堉等报道了在无定形绝缘基底Si/SiO₂上合成晶圆大小的单晶2H MoTe半导体，具体通过面内二维外延生长方法，以单晶Te作为晶种进行生长，能够很好的均匀覆盖2.5 cm²的晶圆。此外，将2H MoTe₂单晶薄膜作为模板，能够进一步在其基础上快速的以垂直方式进行外延生长。在这种2H MoTe₂单晶上构建的晶体管阵列展示了优异的电气性能、非常好的均一性，器件成品率达到100 %。

合成方法

图1. 合成方法示意图

首先在Si/SiO₂晶圆上沉积3 nm厚Mo薄膜，随后与Te蒸气反应合成~10 nm厚多晶1T′ MoTe₂薄膜，但是该1T′ MoTe₂薄膜中含有Te缺陷，晶畴达到数十纳米。随后，从单晶块体2H MoTe₂中剥离单晶纳米片，随后转移到1T′ MoTe₂晶圆的中心作为晶种生长单晶MoTe₂。

随后，再通过原子层沉积方法将30 nm厚的致密Al₂O₃修饰在界面上，实现了生长过程中将Te、1T′ MoTe₂之间产生物理分离，有效的抑制了生长过程中MoTe₂的随机晶体取向。为了向MoTe₂生长过程提供Te元素，在单晶MoTe₂种子中引入孔洞作为提供Te原料的唯一通道。

表征

图2. 晶圆上MoTe₂单晶薄膜表征

通过球差STEM对晶种附近的晶化程度进行表征，结果显示晶体结构、晶体取向、堆叠顺序与晶种的方向一致。在HADDF表征中发现产生六方晶格，同时未发现任何moiré图案。通过横截面STEM表征发现晶种的Te、Mo原子在生长过程中发生重排和重结晶。MoTe₂呈现了完美的AB堆叠排列，晶种区域与其外部区域的晶体取向一致。

通过电子背散射衍射EBSD表征进一步分析晶圆大小薄膜的晶化情况，验证了整体晶圆呈现了较好的晶化一致性，在整个晶圆上的MoTe₂都呈现2H晶相。

器件

图3. 不同模式中激子分布图

构建了1T′/2H/1T′ MoTe₂场效应晶体管FET器件，发现晶圆级单晶上构建的FET器件的室温性能达到场效应迁移率~45 cm² V^-1 s^-1，开关比达到~1.5×10⁴。这个结果和以往报道的单晶FET器件性能类似。构建了10个FET器件阵列，性能得到很好的保持，未见明显衰减或偏差。

参考文献及原文链接

参考文献

Xiaolong Xu, Yu Pan, Shuai Liu, Bo Han, Pingfan Gu, Siheng Li, Wanjin Xu, Yuxuan Peng, Zheng Han, Ji Chen, Peng Gao, Yu Ye*, Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe₂, Science 2021, 372, 195-200

DOI: 10.1126/science.abf5825

https://science.sciencemag.org/content/372/6538/175