隨著基于硅的半導(dǎo)體技術(shù)接近其性能的極限，非常需要在技術(shù)上可以替代或部分替代硅的新材料。最近，石墨烯和其他二維 (2D) 材料的出現(xiàn)為構(gòu)建下一代半導(dǎo)體技術(shù)提供了一個(gè)新平臺(tái)。其中，過(guò)渡金屬二硫?qū)倩?TMD)，如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2，是最具吸引力的二維半導(dǎo)體。
構(gòu)建超大規(guī)模高性能半導(dǎo)體電路的前提是基礎(chǔ)材料必須是晶圓級(jí)的單晶，就像今天使用的硅片一樣。盡管已經(jīng)為 TMD 的晶圓級(jí)單晶的生長(zhǎng)付出了巨大的努力，但迄今為止的成功非常有限。
來(lái)自UNIST基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)多維碳材料中心(CMCM)的丁峰教授及其研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)(PKU)、北京理工大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)的研究人員合作，最近報(bào)道了2英寸單晶WS2單層膜的直接生長(zhǎng)。除了WS2 之外，研究團(tuán)隊(duì)還展示了單晶MoS2、WSe2和MoSe2的晶圓級(jí)生長(zhǎng)。
外延生長(zhǎng)大單晶的關(guān)鍵技術(shù)是保證在襯底上生長(zhǎng)的所有小單晶均勻排列。由于 TMD 具有非中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)或 TMD 的鏡像相對(duì)于其邊緣具有相反的排列，因此我們必須通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)基板來(lái)打破這種對(duì)稱(chēng)性。根據(jù)理論計(jì)算，作者提出了“的機(jī)制雙重耦合引導(dǎo)epitaxŸ增長(zhǎng)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。WS2 -藍(lán)寶石平面相互作用作為第一驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致WS2島的兩個(gè)優(yōu)選的反平行取向。WS2之間的耦合藍(lán)寶石臺(tái)階邊緣是第二驅(qū)動(dòng)力，它將打破兩個(gè)反平行方向的簡(jiǎn)并性。然后所有在具有臺(tái)階邊緣的襯底上生長(zhǎng)的 TMD 單晶都是單向排列的，最后，這些小單晶的聚結(jié)形成與襯底尺寸相同的大單晶。
“這種新的雙耦合外延生長(zhǎng)機(jī)制對(duì)于可控材料生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是新的。原則上，如果找到合適的襯底，它使我們能夠?qū)崿F(xiàn)將所有二維材料生長(zhǎng)成大面積單晶。”該研究的共同第一作者 Ting Cheng 博士說(shuō)。“我們已經(jīng)從理論上考慮了如何選擇合適的基材。首先，基板應(yīng)該具有低對(duì)稱(chēng)性，其次，更多的臺(tái)階邊緣是優(yōu)選的。”該研究的通訊作者馮丁教授強(qiáng)調(diào)說(shuō)。
“這是基于二維材料的設(shè)備領(lǐng)域向前邁出的重要一步。隨著晶圓級(jí)單晶二維 TMD 在過(guò)渡金屬襯底上超越石墨烯和 hBN 的絕緣體上的成功生長(zhǎng)，我們的研究為電子和光學(xué)設(shè)備高端應(yīng)用中的二維半導(dǎo)體提供了所需的基石，”馮丁教授解釋說(shuō)。
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