科学家制备2英寸二硫化钼单晶薄膜，推动亚纳米芯片走向实际应用

当前，为了解决芯片微缩瓶颈、以及推进晶体管尺度的进一步微缩，必须寻找全新的沟道材料，从而开发新的器件功能和器件架构。

2017 年，作为下一代晶体管沟道材料，二维半导体被纳入国际半导体器件与系统路线图（IRDS，International Roadmap for Devices and Systems）。

根据最新技术路线的预测：二维芯片技术将于 2034 年正式实现商业化，从而提升“后摩尔时代”集成电路性能。

作为一种二维半导体材料，二硫化钼凭借多种优点成为解决硅基器件微缩瓶颈、以及构筑集成度更高、速度更快、功耗更低的下一代新型芯片的理想材料。

为了实现二维半导体全部潜力及其在高性能芯片上的应用，非常有必要在通用商业衬底上，以可控的方式合成二维半导体单晶晶圆。

针对此，一些国际领先的材料生长课题组，都把这一问题作为重要课题进行攻关，并已经在二维半导体单晶晶圆的制备上取得系列进展 [1]。

然而，目前二维半导体单晶晶圆的制备，主要依赖衬底台阶工程策略。这通常需要对基底进行特殊设计，比如精心地设计斜切角、或在苛刻的高温环境下进行退火处理等。

与此同时，目前对二维半导体单晶晶圆的生长机理还存在很大争议。

因此，如何在通用商业衬底上，以可控方式合成二维半导体单晶晶圆，对于深化理解生长机理和推动实际应用至关重要。

国内团队深耕二维材料研究，连续数年研发多项成果

针对上述问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的张广宇研究员和杜罗军研究员等人，基于前期在高质量二维二硫化钼晶圆外延生长方面的成果 [2]，提出了一种界面缓冲层控制的新策略。

图 | 张广宇（来源：资料图）

即通过精确地控制前驱体的比例，调控低对称界面缓冲层的形成及生长动力学，他们在工业兼容的 c 面蓝宝石衬底上，以外延方式生长出了 2 英寸的单层二硫化钼单晶薄膜。

针对单层二硫化钼单晶薄膜的物理机制，他们先是从材料对称性的角度来探索。

结果发现：2 个晶畴取向出现的原因，是由于外延生长单层二硫化钼的 c 面蓝宝石衬底，具有近 C6 旋转对称性，并导致它们的能量几乎简并。

因此，课题组意识到之所以能制备单层二硫化钼单晶晶圆：可能是因为他们在控制前驱体比例的时候，导致蓝宝石衬底表面重构，甚至形成了低对称的界面缓冲层。

为了确定这个假设，通过从原子尺度、到厘米尺度的跨尺度表征，他们证明了整个晶圆衬底上二硫化钼晶粒的单一定向排列、晶粒间的无缝拼接、以及大面积的均匀性。

相比之前生长的多晶样品、甚至机械剥离单晶样品，这种以外延方式生长的单晶二硫化钼单层具有超高的质量。

其表现出完美的声子圆二色性、~70% 的优异激子谷极化特性、超低的缺陷密度、高达~140cm2v−1s−1 的室温迁移率、以及接近 109 的开关比。

（来源：Nature Communications）

这种界面缓冲层的新策略，能够为以二硫化钼为代表的二维半导体单晶晶圆的制备提供全新方案，有望推动二维半导体在高性能电子学与光电子学等方面走向产业应用 [3]。

详细来说，可以推动二维半导体在高性能电子学与光电子学器件上的应用，助推超越硅基极限的亚 1nm 二维芯片、薄膜晶体管、柔性显示器件、万物互联器件、智能可穿戴器件等产品走向应用。

（来源：Nature Communications）

此外，由于较弱的层间范德华力，也可以把二维材料像乐高积木一样垂直堆叠起来，形成具有原子级平整界面的人工量子材料——莫尔超晶格。

研究人员表示，莫尔超晶格可以为能带调控、光和物质相互作用、以及全新的物理现象和器件架构，提供前所未有的机会。

例如，莫尔超晶格中形成的平带，可以极大增强电子关联相互作用，从而产生众多新奇的拓扑和关联电子态。

该课题组的杜罗军表示：“我们是国际上最早开展莫尔超晶格研究的团队之一，我们还应邀在 Science 上撰写了莫尔光子学和光电子学的综述论文 [4]。”

图 | 杜罗军（来源：杜罗军）

此外，虽然在过去几年里，人们已经见证了丰富多样的新奇莫尔电子特性和光电子特性。

但是，直到目前为止，这些莫尔量子物态的实现通常需要极低温条件，这对学术探索和产业应用都造成了巨大困难。

对于转角二硫化钼莫尔超晶格来说，虽然几年前学界就在理论上阐明了其电子关联导致的拓扑平带。

但是，由于从块体材料剥离得到的单层样品，存在较高的缺陷密度（~1013cm−2），导致转角二硫化钼莫尔量子物态一直处于实验探索的空白区域。

而该课题组以外延方式生长的高品质单晶单层二硫化钼，其缺陷密度比机械剥离低一个数量级以上，借此他们构筑了一种双层二硫化钼莫尔超晶格器件。

在莫尔平带 1/4、2/4、3/4 填充处，可以观察到电子关联导致的关联绝缘态。通过此，该团队揭示了层杂化的 SU（4）量子模拟器。

不同于人们之前在二维半导体莫尔异质结系统中研究较多的 SU（2）关联物理现象，SU（4）量子模拟器将有望实现包括轨道选择的莫尔绝缘相、手性自旋液体等一系列新奇量子物态。

更重要的是，对于莫尔平带 1/4 填充的关联绝缘态，课题组实现了目前为止最大的关联能隙（∼126meV），并首次阐明了室温下的莫尔关联物态。

进一步地，他们构筑了同时包含 AA 堆垛和 AB 堆垛的转角四层二硫化钼器件，实现了 AB 堆垛中关联绝缘态和 AA 堆垛中滑移铁电序的耦合。

同时，也阐明了莫尔体系不同拓扑和关联电子态之间耦合的可能性，为实现全新的耦合莫尔物性阐明了可能 [5]。

预计有望推动基于二维莫尔超晶格关联电子态的量子器件的构筑、及其在下一代纳电子和光电子方面的应用。

而该团队所揭示的不同莫尔物态的耦合，则有望引领全新的莫尔拓扑物态的发现，比如引领非阿贝尔拓扑序、分数量子自旋霍尔态的发现。

进而引发凝聚态物理研究的下一个“淘金热”，推动莫尔电子学、光子学、光电子学等领域的发展和应用。

将进一步构筑高性能器件

在材料制备上，虽然课题组目前已经实现了 2 英寸单层二硫化钼单晶晶圆的制备。

但是为了达到与当前硅基技术兼容的尺寸标准（12 英寸），以便更好地平衡产品产量与制造成本，还需要制备更大尺寸的单层二硫化钼单晶晶圆。

在无损转移上，当前单层二硫化钼单晶晶圆生长在蓝宝石衬底之上，和器件加工工艺并不兼容，因此需要转移至目标衬底。

与此同时，当前转移的方法通常会引入损伤和沾污，并且尺寸较小，不能满足晶圆级电路集成应用需求。

所以，他们打算探索基于晶圆尺寸的无损洁净型转移技术，比如超高真空转移技术和直接硬转移技术等。

在高性能器件的构筑上，相比于发展较为成熟的硅基器件工艺，高性能二维半导体器件的发展仍然面临着一系列挑战，比如接触问题、超短沟道加工问题、栅介质沉积、以及与二维半导的界面优化问题等。

因此，他们打算碳素以二维半导体为沟道的高性能纳电子器件的构筑，推动其在电子学与光电子学等方面走向产业应用。

参考资料：

1.Nat. Nanotechnol. 16, 1201（2021）; Nat. Nanotechnol. 17, 33（2022）; Nat. Nanotechnol. 18, 1289（2023）

2.ACS Nano 11, 12001（2017）; Nano Lett. 20, 7193（2020）; Natl. Sci. Rev. 9, nwac077（2022）

3.Nature Communications 15, 1825（2024）

4.Science 379, eadg0014（2023）

5.Physical Review Letters 131, 256201（2023）；Chinese Physics Letters 40, 047303（2023）（Express Letter）

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