物理所成功制備單層MoS2晶圓，將推動二維半導(dǎo)體材料的研究發(fā)展進(jìn)程

本期為大家介紹的是中國科學(xué)院物理研究所在高質(zhì)量二維半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域獲得的新進(jìn)展，張廣宇課題組以自主設(shè)計搭建的CVD設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上外延制備了四英寸連續(xù)單層二硫化鉬晶圓，其晶圓具有目前國際上報道中最高的電子學(xué)質(zhì)量，將推動二維半導(dǎo)體材料的研究發(fā)展進(jìn)程，為給學(xué)界成果落地柔性電子產(chǎn)品注入新的動力。

研究背景

有心的朋友會發(fā)現(xiàn)，從手機(jī)到各類智能穿戴，各類新產(chǎn)品在尺寸較之前未發(fā)生較大增加甚至有所縮小的情況下，卻具備了更強(qiáng)大更復(fù)雜的功能，這得益于晶體管制備技術(shù)的不斷發(fā)展下帶來的電路集成度的提高。在這種半導(dǎo)體器件不斷小型化和柔性化的趨勢下，以二硫化鉬（MoS2）等過渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDC）為代表的二維半導(dǎo)體材料顯示出獨特優(yōu)勢，具有超薄厚度（單原子層或?qū)訑?shù)較少的多原子層）和優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械性能及多自由度可調(diào)控性，使其在未來更輕、更薄、更快、更靈敏的電子學(xué)器件中具有優(yōu)勢。

然而，現(xiàn)階段以器件應(yīng)用為背景的單層MoS2研究仍存在著關(guān)鍵問題：制備工藝不完善，如何獲得高質(zhì)量大尺度的MoS2晶圓？這是新型半導(dǎo)體材料從實驗室走向市場要經(jīng)歷的共性問題，若能解決其高質(zhì)量規(guī)模化制備的關(guān)鍵科學(xué)障礙，將推動二維半導(dǎo)體材料的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)程，給柔性電子產(chǎn)業(yè)注入新的發(fā)展動力。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心張廣宇課題組致力于高質(zhì)量二維材料的外延、能帶調(diào)控、復(fù)雜結(jié)構(gòu)疊層、功能電子器件和光電器件的研究采用自主設(shè)計的新型CVD設(shè)備實現(xiàn)了高質(zhì)量連續(xù)單層MoS2晶圓制備。相關(guān)研究成果于近期以“Wafer-Scale Highly Oriented Monolayer MoS2 with Large Domain Sizes”為題發(fā)表于微納研究領(lǐng)域頂級期刊《Nano Letters》，博士研究生王琴琴為論文第一作者，物理所研究員張廣宇為論文通訊作者。

基本特性

研究團(tuán)隊利用自主設(shè)計搭建的四英寸多源化學(xué)氣相沉積設(shè)備，采用立式生長方法在藍(lán)寶石襯底上外延制備四英寸高質(zhì)量連續(xù)單層MoS2晶圓，所外延的高質(zhì)量薄膜由高定向（0°和60°）的大晶粒（平均晶粒尺寸大于100 μm）拼接而成。在高定向的薄膜中，高分辨透射電子顯微鏡觀測到近乎完美的4|4E型晶界。

原理與測試

上圖為單層MoS2的晶圓生長示意圖，圖(a)為多源CVD設(shè)備搭建示意圖，圖(b)為4英寸晶圓成品的俯視圖，圖(c)-圖(e)圖為不同觀測時間點下，MoS2在藍(lán)寶石表面生長的光學(xué)圖像，O2流率為~10sccm（標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘）。

單層MoS2薄膜的結(jié)構(gòu)表征，圖(a)為原子力顯微鏡形貌圖，圖(b)為薄膜的熒光顯微鏡圖像，圖(c)為MoS2疇界區(qū)域的STEM形貌像，圖(d)為圖(c)中矩形區(qū)域的放大圖像，圖(e)為一個晶粒尺寸范圍的STEM形貌圖，圖(f)為單層膜的選區(qū)電子衍射圖像。

合成的二硫化鉬單層的片級均勻性監(jiān)測，圖(a,b,e)為典型拉曼光譜和/PL（光致發(fā)光）線掃描沿直徑方向映射的彩色編碼圖像，圖(c,f)是晶圓上隨機(jī)選取的四個位置對應(yīng)的拉曼/PL光譜。

單層MoS2薄膜的電特性測試，圖(a,b)為典型場效應(yīng)晶體管的輸出/傳輸特性曲線，圖(c)為通/斷比變化圖像，圖(d)為隨機(jī)100個MoS2場效應(yīng)管的遷移率統(tǒng)計分布，圖(f)為電壓轉(zhuǎn)移特性逆變器的和相應(yīng)的電壓增益的轉(zhuǎn)移曲線，圖(g,h,i)為MoS2搭建與非門、或非門、與門的輸出特性測試。

前景展望

得益于多源設(shè)計，本成果所制備的晶圓具有目前國際上報道中最高的電子學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)高質(zhì)量單層MoS2晶圓的制備將會促進(jìn)MoS2器件制備技術(shù)的進(jìn)一步突破和柔性電子器件研究成果的成熟，為大面積柔性電子器件的發(fā)展提供新的思路與技術(shù)基礎(chǔ)，預(yù)計可有效推動二維半導(dǎo)體材料在柔性顯示屏、智能可穿戴器件方面的應(yīng)用，也許各類薄如紙張的柔性電子產(chǎn)品也會因此在不就的未來出現(xiàn)在我們的雙十一購物單里面呢。

論文全文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02531

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：科研前線 | 物理所成功制備單層MoS2晶圓，電子學(xué)質(zhì)量為國際最高

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