.jpg){kind=logo}
北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉開(kāi)輝教授課題組與合作者提出模塊化局域元素供應(yīng)生長(zhǎng)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體性二維過(guò)渡金屬硫族化合物晶圓批量化高效制備，晶圓尺寸可從2英寸擴(kuò)展至與當(dāng)代主流半導(dǎo)體工藝兼容的12英寸，有望推動(dòng)二維半導(dǎo)體材料由實(shí)驗(yàn)研究向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用過(guò)渡，為新一代高性能半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展奠定了材料基礎(chǔ)。2023年7月4日，相關(guān)研究以“模塊化局域元素供應(yīng)技術(shù)批量制備12英寸過(guò)渡金屬硫族化合物晶圓”（Modularized Batch Production of 12-inch Transition Metal Dichalcogenides by Local Element Supply）為題，在線發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）。
近年來(lái)，二維過(guò)渡金屬硫族化合物是最具應(yīng)用前景的二維半導(dǎo)體材料體系之一，具備層數(shù)依賴的可調(diào)帶隙、自旋-谷鎖定特性、超快響應(yīng)速度、高載流子遷移率、高比表面積等優(yōu)異的物理性質(zhì)，有望推動(dòng)新一代高性能電子、光電子器件變革性技術(shù)應(yīng)用。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體發(fā)展路線類似，晶圓級(jí)二維半導(dǎo)體的批量制備，是推動(dòng)相應(yīng)先進(jìn)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化過(guò)渡的關(guān)鍵所在。二維半導(dǎo)體薄膜尺寸需達(dá)到與硅基技術(shù)兼容的直徑300 mm（12-inch）標(biāo)準(zhǔn)，以平衡器件產(chǎn)量與制造成本。因此，批量化、大尺寸、低成本制備過(guò)渡金屬硫族化合物晶圓是二維材料走向?qū)嶋H應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
自2016年以來(lái)，北京大學(xué)物理學(xué)院劉開(kāi)輝教授、俞大鵬院士、王恩哥院士等針對(duì)二維材料生長(zhǎng)問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)研究，逐步發(fā)展出一套大尺寸二維材料的原子制造通用技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了以米級(jí)石墨烯（Science Bulletin 2017, 62, 1074）、分米級(jí)六方氮化硼（Nature 2019, 570, 91）、晶圓級(jí)過(guò)渡金屬硫族化合物（Nature Nanotechnology 2022, 17, 33；Nature Communications 2022, 13, 1007）為代表的大尺寸二維單晶材料調(diào)控生長(zhǎng)及30余種A4尺寸高指數(shù)單晶銅箔庫(kù)的制備（Nature 2020, 581, 406）。然而，相比于單個(gè)晶圓的過(guò)渡金屬硫族化合物薄膜，大尺寸、批量化晶圓薄膜的制備仍極具挑戰(zhàn)性。目前，基于化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的二維半導(dǎo)體晶圓尺寸主要集中在2-4英寸，生產(chǎn)效率通常限制于每批次一片，難以滿足逐漸增長(zhǎng)的二維半導(dǎo)體在基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)化制造等方面的材料需求。
針對(duì)上述難題，劉開(kāi)輝團(tuán)隊(duì)與合作者提出了一種全新的模塊化局域元素供應(yīng)生長(zhǎng)策略，實(shí)現(xiàn)了2-12英寸過(guò)渡金屬硫族化合物晶圓的批量化制備。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將過(guò)渡金屬硫族化合物制備所需的多種前驅(qū)體與生長(zhǎng)襯底，以“面對(duì)面”模式組裝構(gòu)成單個(gè)生長(zhǎng)模塊。過(guò)渡金屬元素與硫族元素按精確比例局域供應(yīng)至生長(zhǎng)襯底，實(shí)現(xiàn)單層過(guò)渡金屬硫族化合物晶圓的高質(zhì)量制備；多個(gè)生長(zhǎng)模塊可通過(guò)縱向堆疊組成陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種尺寸晶圓薄膜的低成本批量化制備（2英寸晶圓15片/批次；12英寸晶圓3片/批次）。此外，這一模塊化策略適用于過(guò)渡金屬硫族化合物薄膜的后處理工藝，可精準(zhǔn)制備“雙面神”（Janus）型MoSSe結(jié)構(gòu)，MoS2(1-x)Se2x合金以及MoS2-MoSe2平面異質(zhì)結(jié)等，為后續(xù)二維材料陣列化與功能化設(shè)計(jì)帶來(lái)更多自由度。該研究成果為二維半導(dǎo)體晶圓的大尺寸、規(guī)模化制備提供了一種全新的技術(shù)方案，有望推動(dòng)二維材料在高性能電子學(xué)與光電子學(xué)方向等諸多優(yōu)異性能走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
a. 過(guò)渡金屬硫族化合物晶圓批量化制備裝置及示意圖；b. 單批次制備15片2英寸MoS2晶圓；c. 350-mm管徑自動(dòng)控制化學(xué)氣相沉積管式爐；d. 2-12英寸MoS2晶圓照片；e. 單批次制備3片12英寸MoS2晶圓。
文章相關(guān)信息
北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2021級(jí)博士生薛國(guó)棟、北京大學(xué)物理學(xué)院2022級(jí)博士生隋鑫、中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系2022級(jí)碩士生殷鵬、北京大學(xué)“博雅”博士后周子琦為論文共同第一作者；北京大學(xué)物理學(xué)院劉開(kāi)輝教授、中國(guó)人民大學(xué)劉燦研究員、中科院物理所張廣宇研究員為共同通訊作者。其他主要合作者還包括北京大學(xué)王恩哥院士、高鵬教授、武漢大學(xué)何軍教授、清華大學(xué)李群仰教授等。
研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)重大專項(xiàng)，及北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室等的大力支持。
論文原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323004206