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科研成果
2H-MoTe2二維半導體薄膜在任意表面的異質外延技術
發布日期:2022-08-16 浏覽次數:
  供稿:凝聚体物理与材料物理研究所  |   编辑:孙嘉琪   |   审核:吴孝松

北京大学物理学院凝聚態物理與材料物理研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室叶堉研究员、陈基研究员,北京大学博雅博士後徐晓龙(现为北京理工大学预聘教授)与中国科学院大学周武教授等合作提出了一种在不同晶体对称性、不同晶格常数和三维架构基底上异质外延生长半导体2H-MoTe2薄膜的通用合成技術,克服了襯底對異質外延的限制。2022年8月15日,相關研究成果以“用于大規模異質集成的任意表面上半導體2H-MoTe2薄膜的异质外延”(Heteroepitaxy of semiconducting 2H-MoTe2 thin films on arbitrary surfaces for large-scale heterogeneous integration)为题,在线发表于《自然·合成》(Nature synthesis)。

半导体行业依赖技术创新来保持器件小型化和成本降低的步伐。同时,信息的高速传输和处理需要将电子和光子器件集成在同一芯片上。因此,未来发展将同时采用平面和三维 (3D) 复合架构。在材料集成的不同策略中,外延生长是制造具有高质量界面的半导体异质结构的有效途径。然而,在具有大晶格失配的任意材料(更不用说3D架构)上异质外延传统3D 晶体薄膜且不产生具有高密度缺陷的界面是极具挑战性的,因此需要新技术来打破晶格失配和结构不对称对单晶半导体生长的限制。

最近,將二維(2D)半導體與傳統電子和光子學器件無縫集成引起了人們的極大興趣,這爲矽基芯片帶來了新的應用。二維半導體表現出高的機械穩定性以及獨特的電子和光電特性,非常適合異質光電集成。實現高密度集成,光互連結構需要盡可能靠近電子器件。爲了實現這一目標,首先需要開發一種在任意結構上直接合成單晶二維半導體的異質外延方法,包括在高度晶格不匹配的基底和非平面的3D架構上。因此,必須開發一種新的可以解除襯底限制的合成範式,即不同于傳統的垂直外延工藝(如金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束外延(MBE)等)。

北京大學物理學院葉堉研究員課題組在前期二維碲化钼(MoTe2)相變與可控制備的基礎上(J. Am. Chem. Soc. 141, 2128-2134, 2019; Science 372, 195-200, 2021),与合作者进一步提出了一种不受支撑基底限制的平面内二维横向外延技术,将单晶2H-MoTe2半导体薄膜与高度晶格失配的平面晶体或任意形貌的3D架构异质集成(圖1),从而发展前所未有的集成技术与器件功能。

圖1 在平面單晶材料和三維形貌結構上直接合成二維半導體2H-MoTe2薄膜的異質光電集成示意圖

實驗中,合作團隊首先在半導體Si和GaN、絕緣4H-SiC、SrTiO3和藍寶石、磁性Gd3Ga5O12單晶襯底上合成了毫米級尺寸的單晶2H-MoTe2薄膜,展示了該生長機制不受基底晶格匹配的限制。以單晶GaN基底爲例(圖2),實驗發現在2H-MoTe2的成核之前,Te原子會進入到1T’-MoTe2薄膜與單晶基底間的界面位置,還原並鈍化單晶基底表面從而形成了單原子Te的半範德華結構,降低了MoTe2薄膜與單晶基底間的原子相互作用。在此基礎上,2H-MoTe2薄膜的相變重結晶合成機理起到重要作用,多晶的1T’-MoTe2首先相變形成2H相的成核中心,進而形成了面內的1T’/2H的異質結。通過面內二維外延持續誘導相變的發生,相變過程伴隨著以異質界面處2H相MoTe2爲模板的重結晶過程,使得相變後的整個薄膜的晶格取向和成核中心一致,不受基底的限制。

圖2 在GaN基底上異質外延的2H-MoTe2界面掃面透射電鏡表征

此外,該外延方法也不受表面起伏的限制。例如,合作團隊在具有高深寬比(2.8)的三維結構基底(鳍形矽)上直接生長了2H-MoTe2薄膜(圖3)。與上述1T’-2H相變重結晶機理相同,2H-MoTe2薄膜在生長過程中可以跨越三維非平面基底並且它的晶格取向與成核中心保持一致,從而在三維結構上依然可合成出單晶2H-MoTe2薄膜。2H-MoTe2的合成機制是通過相變重結晶過程實現,無需考慮基底的單晶性和形貌,因此可以在任意表面上進行合成,該研究爲後續的2H-MoTe2異質集成研究提供了基礎。

圖3 在鳍形矽基底上異質外延的2H-MoTe2薄膜的截面掃描透射電鏡表征

合作团队观察到通过相变的平面内二维外延工艺不受晶格匹配和平面表面的限制,因此允许在任意衬底上合成大面积单晶 2H-MoTe2薄膜。通过将 2H-MoTe2 薄膜与1英寸Si晶圆集成,合作团队制备了垂直p-n异质结阵列,该阵列表现出 100% 的器件良率、高器件性能和优异的均匀性(圖4)。合作团队的方法为二维半导体2H-MoTe2薄膜與其他襯底的異質集提供了可能性。

圖4 晶圓級別的2H-MoTe2/Si異質pn結器件與伏安特性表征

2022年8月15日,相關研究成果以“用于大規模異質集成的任意表面上半導體2H-MoTe2薄膜的异质外延”(Heteroepitaxy of semiconducting 2H-MoTe2 thin films on arbitrary surfaces for large-scale heterogeneous integration)为题在线发表于《自然·合成》(Nature synthesis)。北京大学物理学院2019级博士研究生潘宇、中国科学院大学物理科学学院博士後Roger Guzman为共同第一作者;北京大学陈基研究员、中国科学院大学周武教授、北京大学博雅博士後徐晓龙(现为北京理工大学预聘教授)和北京大学叶堉研究员为共同通讯作者;主要合作者还包括北京大学唐宁研究员、中国科学院微电子研究所殷华湘研究员、武汉大学何军教授、中国科学院上海微系统与信息技术研究所武爱民研究员。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金,以及北京大学长三角光电科學研究院等支持。

論文原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s44160-022-00134-0