南京大學、東南大學團隊突破雙層二維半導體外延生長核心技術(shù)，成果登上《自然》正刊！
南京大學、東南大學團隊突破雙層二維半導體外延生長核心技術(shù)，成果登上《自然》正刊！
近日，南京大學王欣然教授團隊與東南大學王金蘭教授團隊合作，實現(xiàn)厘米級均勻的雙層二硫化鉬薄膜可控外延生長，該成果近日發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然》。
南京大學電子科學與工程學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王金蘭教授、馬亮教授為論文共同通訊作者，南京大學施毅教授、聶越峰教授、王鵬教授以及微制造與集成工藝中心對該工作進行了指導和支持。該研究得到了江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究、國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等項目的資助。
突破雙層二維半導體外延生長核心技術(shù)
集成電路摩爾定律是推動人類信息社會發(fā)展的源動力。當前，集成電路已經(jīng)發(fā)展到5nm技術(shù)節(jié)點，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，以MoS2為代表的二維半導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)域長期積累，2021年在《Nature Nanotechnology》連續(xù)報道了大面積MoS2單晶制備以及MoS2驅(qū)動的超高分辨Micro-LED顯示技術(shù)兩個成果。
盡管學術(shù)界和工業(yè)界在單層二維半導體生長方面已經(jīng)取得了很大的進展，但是單層材料在面向高性能計算應(yīng)用時依然受限。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)動電流，更適合應(yīng)用于高性能計算。然而，由于材料生長熱力學的限制，“1+1=2”的逐層生長方法難以給出均勻的雙層，因此層數(shù)可控的二維半導體外延制備一直是尚未解決的難題。
針對該問題，王欣然教授與東南大學合作，另辟蹊徑，提出了襯底誘導的雙層成核以及“齊頭并進”的全新生長機制，在國際上首次報道了大面積均勻的雙層MoS2薄膜外延生長。研究團隊首先進行了理論計算，發(fā)現(xiàn)雖然單層生長在熱力學上是最穩(wěn)定的，但是通過在藍寶石表面構(gòu)建更高的“原子梯田”，可以實現(xiàn)邊緣對齊的雙層成核，從而打破了“1+1=2”的逐層生長傳統(tǒng)模式局限（圖1）。研究團隊利用高溫退火工藝，在藍寶石表面上獲得了均勻分布的高原子臺階，成功獲得了超過99%的雙層形核，并實現(xiàn)了厘米級的雙層連續(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。進一步，團隊證明了雙層MoS2與藍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。
研究團隊進一步制造了雙層MoS2溝道的場效應(yīng)晶體管（FET）器件陣列，并系統(tǒng)評估了其電學性能（圖2）。相比單層材料，雙層MoS2晶體管的遷移率提升了37.9%，達到~122.6cm2V-1S-1，同時器件均一性得到了大幅度提升。進一步，團隊報道了開態(tài)電流高達1.27 mA/μm的FET，刷新了二維半導體器件的最高紀錄，并超過了國際器件與系統(tǒng)路線圖所規(guī)劃的2028年目標。
該工作突破了層數(shù)可控的二維半導體外延生長技術(shù)，并且實現(xiàn)了最高性能的晶體管器件。
論文作者、東南大學教授馬亮說：“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)可控成核新機制有望進一步拓展至其他二維材料體系的外延生長，為后硅基半導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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