南大&东大 Nature Nanotechnology：晶圆级MoS2半导体单晶

二维（2D）半导体，特别是过渡金属二卤化物（TMDCs），在将摩尔定律扩展到硅（Si）之外的领域而受到了极大的关注。蓝宝石（晶状α-Al₂O₃）在III-V半导体工业中被广泛用作外延基底，其有一个六边形晶格，平面内a=b=4.76 Å，平面外c=12.996 Å，由六层交替的Al-O-Al原子组成。实际上，C面（0001）蓝宝石晶片是从加工平面和晶体学平面之间具有错切角（α）的铸锭上切割而成，该角度可用两个垂直分量α_M和α_A表示，而α_M和α_A分别表示（0001）平面和基底表面之间沿M轴（<101¯0>）和A轴（<112¯0>）的角度。然而，外延关系表明蓝宝石的<112¯0>取向垂直于三角形TMDCs畴的锯齿（ZZ）边缘，使的两个反平行畴相等，并阻止单晶生长。此外，在可扩展且与工业兼容的基底上生长晶圆级TMDCs单晶尚未得到很好的证明。

近日，南京大学王欣然教授和东南大学王金兰教授（共同通讯作者）等人报道了在C面蓝宝石上的外延生长制备了2英寸（~50 mm）的单层二硫化钼（MoS₂）半导体单晶。作者设计了朝向蓝宝石A轴（C/A）的错切取向，其中A轴垂直于标准基板。尽管错切取向的变化不会影响外延关系，但是由此产生的阶梯边缘打破了反平行MoS₂畴的成核能简并性，并导致超过99%的单向排列，从而解决了市场上C面蓝宝石基底外延生长TMDCs单晶存在的问题。通过显微镜、光谱和电学测量均表明，所制备的MoS₂单晶具有极佳的晶圆级均匀性。作者进一步制造了场效应晶体管（FETs），并获得了102.6 cm² V^-1 s^-1的迁移率和450 μA μm^-1的饱和电流，是目前单层MoS₂中的最高值。通过对160个厘米级FETs的统计分析表明，器件成品率>94%、迁移率变化为15%，由此进一步证明了C/A蓝宝石上的单晶MoSe₂。该研究中的方法提供了一种通用且可扩展的途径来生产面向未来电子产品的TMDCs单晶。研究成果以题为“Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire”发布在国际著名期刊Nature Nanotechnology上。

图一、蓝宝石（0001）基底与外延生长的关系

（a, d）C/M和C/A蓝宝石（0001）晶片上的台阶取向以及相应的外延MoS₂畴对齐；

（b, e）退火的C/M（α_M=0.25°）和C/A（α_A=0.26°）蓝宝石基底的AFM振幅图像；

（c, f）分别与（b）和（e）中相同基底的XRD摇摆曲线；

（g）MoS₂在蓝宝石（0001）基底上的外延生长关系；

（h-i）沿Al₂O₃<101¯0>和<112¯0>方向生长的MoS₂/Al₂O₃界面的横截面HAADF-STEM图像；

（j-k）MoS₂/蓝宝石沿Al₂O₃<101¯0>和<112¯0>方向的RHEED图案。

图二、C/A蓝宝石（0001）基底上MoS₂畴的单向排列

（a）在C/A（α_A=0.89°）基底上生长的MoS2畴的光学显微镜图像；

（b）AFM振幅图像说明畴边缘和表面台阶之间的关系；

（c）C/A（红色）和C/M（蓝色）底物上反平行结构域的统计分布；

（d）C/A基底上两个合并的MoS₂畴的极化SHG映射；

（e）（d）中两个域的倍频强度和理论拟合的极坐标图（°）；

（f）生长的MoS₂的拉曼光谱；

（g）生长的MoS₂的PL光谱；

（h）MoS₂基面的原子分辨率HAADF-STEM图像；

（i）两个单向域之间合并区域的HAADF-STEM图像。

图三、单向成核机制

（a）不同S覆盖率的ZZ MoS₂边缘（ZZ-S和ZZ-Mo）附着在蓝宝石<101¯0>）台阶上的形成能；

（b）C/A和C/M基板上成核阶段的四种可能的边缘配置；

（c）计算的四个边缘配置的形成能。

图四、晶圆级MoS₂单晶

（a）在C/A（α_A=0.89°）蓝宝石（0001）基底上的2英寸单层MoS₂单晶的照片；

（b）在SiO₂/Si基底上转移的2英寸MoS₂的照片；

（c）生长的MoS₂薄膜的AFM高度图像；

（d）MoS₂薄膜在1 cm2区域上的LEED图案，在190 eV下拍摄；

（e-g）沿2英寸MoS₂单晶薄膜的直径进行线扫描的PL和拉曼光谱；

（g-h）三个映射区的PL峰区域的统计分布和五个映射区的E¹_2g和A_1g之间的拉曼峰差（△）。

图五、场效应晶体管（FET）性能

（a）制造的超过4 cm²的FET阵列的照片；

（b）151个MoS₂ FET的传输特性，距离（a）中标记区域的沟道长度为50 μm；

（c）在V_ds=1 V和V_gs=10 V（gs，栅极源极）处的通态电流分布；

（d）流动性和SS的统计分布；

（e）典型的500 nm短沟道MoS₂ FET的传输特性（V_ds=1 V）；

（f）（e）中设备的输出特性。

综上所述，作者在C面蓝宝石上通过外延生长制备了圆晶级MoS₂半导体单晶。通过显微镜、光谱和电学测量均表明，所制备的MoS₂单晶具有极佳的晶圆级均匀性。作者进一步制造了场效应晶体管（FETs），并获得了102.6 cm² V^-1 s^-1的迁移率和450 μA μm^-1的饱和电流，是目前单层MoS₂中的最高值。同时，通过对160个厘米级FETs的统计分析表明，器件成品率超过94%、迁移率变化为15%。此外，该方法还可以生长MoSe₂单晶，表明其可以推广到其它许多2D材料。对比使用六方BN或Au作为外延基底的潜在竞争技术，该方法使用了广泛应用的低成本C面蓝宝石，而这种蓝宝石可以很容易的扩展到8英寸，并且与工业技术具有良好的兼容性。

文献链接：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供稿。