南大&東大 Nature Nanotechnology：晶圓級MoS2半導體單晶

【背景介紹】

二維（2D）半導體，特別是過渡金屬二鹵化物（TMDCs），在將摩爾定律擴展到硅（Si）之外的領域而受到了極大的關注。藍寶石（晶狀α-Al₂O₃）在III-V半導體工業中被廣泛用作外延基底，其有一個六邊形晶格，平面內a=b=4.76 ?，平面外c=12.996 ?，由六層交替的Al-O-Al原子組成。實際上，C面（0001）藍寶石晶片是從加工平面和晶體學平面之間具有錯切角（α）的鑄錠上切割而成，該角度可用兩個垂直分量α_M和α_A表示，而α_M和α_A分別表示（0001）平面和基底表面之間沿M軸（<101ˉ0>）和A軸（<112ˉ0>）的角度。然而，外延關系表明藍寶石的<112ˉ0>取向垂直于三角形TMDCs疇的鋸齒（ZZ）邊緣，使的兩個反平行疇相等，并阻止單晶生長。此外，在可擴展且與工業兼容的基底上生長晶圓級TMDCs單晶尚未得到很好的證明。

【成果簡介】

近日，南京大學王欣然教授和東南大學王金蘭教授（共同通訊作者）等人報道了在C面藍寶石上的外延生長制備了2英寸（~50 mm）的單層二硫化鉬（MoS₂）半導體單晶。作者設計了朝向藍寶石A軸（C/A）的錯切取向，其中A軸垂直于標準基板。盡管錯切取向的變化不會影響外延關系，但是由此產生的階梯邊緣打破了反平行MoS₂疇的成核能簡并性，并導致超過99%的單向排列，從而解決了市場上C面藍寶石基底外延生長TMDCs單晶存在的問題。通過顯微鏡、光譜和電學測量均表明，所制備的MoS₂單晶具有極佳的晶圓級均勻性。作者進一步制造了場效應晶體管（FETs），并獲得了102.6 cm² V^-1 s^-1的遷移率和450 μA μm^-1的飽和電流，是目前單層MoS₂中的最高值。通過對160個厘米級FETs的統計分析表明，器件成品率>94%、遷移率變化為15%，由此進一步證明了C/A藍寶石上的單晶MoSe₂。該研究中的方法提供了一種通用且可擴展的途徑來生產面向未來電子產品的TMDCs單晶。研究成果以題為“Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire”發布在國際著名期刊Nature Nanotechnology上。

【圖文解讀】

圖一、藍寶石（0001）基底與外延生長的關系
（a, d）C/M和C/A藍寶石（0001）晶片上的臺階取向以及相應的外延MoS₂疇對齊；

（b, e）退火的C/M（α_M=0.25°）和C/A（α_A=0.26°）藍寶石基底的AFM振幅圖像；

（c, f）分別與（b）和（e）中相同基底的XRD搖擺曲線；

（g）MoS₂在藍寶石（0001）基底上的外延生長關系；

（h-i）沿Al₂O₃<101ˉ0>和<112ˉ0>方向生長的MoS₂/Al₂O₃界面的橫截面HAADF-STEM圖像；

（j-k）MoS₂/藍寶石沿Al₂O₃<101ˉ0>和<112ˉ0>方向的RHEED圖案。

圖二、C/A藍寶石（0001）基底上MoS₂疇的單向排列
（a）在C/A（α_A=0.89°）基底上生長的MoS2疇的光學顯微鏡圖像；

（b）AFM振幅圖像說明疇邊緣和表面臺階之間的關系；

（c）C/A（紅色）和C/M（藍色）底物上反平行結構域的統計分布；

（d）C/A基底上兩個合并的MoS₂疇的極化SHG映射；

（e）（d）中兩個域的倍頻強度和理論擬合的極坐標圖（°）；

（f）生長的MoS₂的拉曼光譜；

（g）生長的MoS₂的PL光譜；

（h）MoS₂基面的原子分辨率HAADF-STEM圖像；

（i）兩個單向域之間合并區域的HAADF-STEM圖像。

圖三、單向成核機制
（a）不同S覆蓋率的ZZ MoS₂邊緣（ZZ-S和ZZ-Mo）附著在藍寶石<101ˉ0>）臺階上的形成能；

（b）C/A和C/M基板上成核階段的四種可能的邊緣配置；

（c）計算的四個邊緣配置的形成能。

圖四、晶圓級MoS₂單晶
（a）在C/A（α_A=0.89°）藍寶石（0001）基底上的2英寸單層MoS₂單晶的照片；

（b）在SiO₂/Si基底上轉移的2英寸MoS₂的照片；

（c）生長的MoS₂薄膜的AFM高度圖像；

（d）MoS₂薄膜在1 cm2區域上的LEED圖案，在190 eV下拍攝；

（e-g）沿2英寸MoS₂單晶薄膜的直徑進行線掃描的PL和拉曼光譜；

（g-h）三個映射區的PL峰區域的統計分布和五個映射區的E¹_2g和A_1g之間的拉曼峰差（△）。

圖五、場效應晶體管（FET）性能
（a）制造的超過4 cm²的FET陣列的照片；

（b）151個MoS₂ FET的傳輸特性，距離（a）中標記區域的溝道長度為50 μm；

（c）在V_ds=1 V和V_gs=10 V（gs，柵極源極）處的通態電流分布；

（d）流動性和SS的統計分布；

（e）典型的500 nm短溝道MoS₂ FET的傳輸特性（V_ds=1 V）；

（f）（e）中設備的輸出特性。

【小結】

綜上所述，作者在C面藍寶石上通過外延生長制備了圓晶級MoS₂半導體單晶。通過顯微鏡、光譜和電學測量均表明，所制備的MoS₂單晶具有極佳的晶圓級均勻性。作者進一步制造了場效應晶體管（FETs），并獲得了102.6 cm² V^-1 s^-1的遷移率和450 μA μm^-1的飽和電流，是目前單層MoS₂中的最高值。同時，通過對160個厘米級FETs的統計分析表明，器件成品率超過94%、遷移率變化為15%。此外，該方法還可以生長MoSe₂單晶，表明其可以推廣到其它許多2D材料。對比使用六方BN或Au作為外延基底的潛在競爭技術，該方法使用了廣泛應用的低成本C面藍寶石，而這種藍寶石可以很容易的擴展到8英寸，并且與工業技術具有良好的兼容性。

文獻鏈接：Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire. Natrue Nanotechnology, 2021, DOI: 10.1038/s41565-021-00963-8.

本文由CQR編譯。

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