双层二维半导体外延生长核心技术获突破

近日，南京大学王欣然教授团队与东南大学王金兰教授团队合作，实现了厘米级均匀的双层二硫化钼薄膜可控外延生长，该成果近日发表于国际学术期刊《自然》。

“这份研究不仅突破了大面积均匀双层二硫化钼的层数可控外延生长技术瓶颈，研制了最高性能的二硫化钼晶体管器件，而且双层二硫化钼层数可控成核新机制有望进一步拓展至其他二维材料体系的外延生长，为后硅基半导体电子器件的替代材料提供了一种新的方向和选择。”9日，接受科技日报记者采访时，论文共同第一作者、东南大学教授马亮说。

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目前，硅基半导体晶体管微缩工艺已推进至5纳米节点，逐渐逼近其物理极限。晶体管尺寸的进一步微缩，迫切需要基础材料的创新与突破。

论文共同通讯作者、东南大学教授王金兰表示，以二硫化钼为代表的二维半导体材料具有高迁移率、超薄沟道和异质集成等特点，近年来被视为后硅基半导体时代延续摩尔定律的理想候选材料之一。

与单层二硫化钼相比，双层二硫化钼具有更高的载流子迁移率、更大的驱动电流，在电子器件的应用中更有优势。

“然而，由于衬底与二硫化钼表面强相互作用的热力学限制，传统表面外延只能通过‘1+1=2’的逐层生长模式获得双层二硫化钼。由于生长时长不一致和成核位点随机分布，导致了层数均匀性差和薄膜不连续等问题。目前二硫化钼的层数可控外延生长是一项极具挑战性的前沿难题。”马亮说。

针对该问题，研究团队提出了衬底诱导的双层成核以及“齐头并进”的全新生长机制。论文共同通讯作者、南京大学教授王欣然介绍，团队在国际上首次实现大面积均匀的双层二硫化钼薄膜外延生长。

据悉，研究团队首先进行了理论计算，发现虽然单层生长在热力学上是最稳定的，但是通过在蓝宝石表面构建更高的“原子梯田”，可以实现边缘对齐的双层成核，从而打破了“1+1=2”的逐层生长传统模式局限。

王欣然表示，研究团队利用高温退火工艺，在蓝宝石表面上获得了均匀分布的高原子台阶，成功获得了超过99%的双层形核，并实现了厘米级的双层连续薄膜。

随后，团队制造了双层二硫化钼沟道的场效应晶体管器件阵列。电学性能评估表明，双层二硫化钼器件的迁移率相比于单层二硫化钼提升了37.9%，器件均一性也得到了大幅度提升；开态电流高达1.27毫安/微米，刷新了二维半导体器件的最高纪录。