藍寶石上雙層二硫化鉬的成核和外延現象

一項主要由南京大學研究人員開展的一項研究報告了雙層二硫化鉬（MoS₂）在c面藍寶石上的均勻成核（>99%）。二維過渡金屬二氯化物（transition-metal dichalcogenides, TMDs）在電子學領域引起了研究人員的廣泛興趣。有人認為，雙層TMDs結合了良好的靜電控制、較小的帶隙和比單層更高的遷移率，有可能改進電晶體的功耗延時產品。然而，儘管在單層TMDs的生長方面取得了進展，但多層可控外延生長仍然是一個挑戰。

該研究設計了c面藍寶石上的原子梯田高度，使邊緣成核機制和MoS₂域凝聚成連續的、釐米級的薄片。與基於單層薄片的場效應電晶體相比，基於雙層二硫化鉬通道製造的場效應電晶體（FET）器件在遷移率（高達122.6 cm² V^-1 s^-1）和變化方面都有很大的改善。此外，短通道場效應電晶體表現出1.27 mA μm ^-1的導通電流，這超過了2028年高性能場效應電晶體的路線圖目標。

（圖片來源：Lei Liu / Nature）

超越矽的先進電晶體技術對新材料提出了非常嚴格的要求，這些材料應結合最終的靜電控制、足夠的驅動電流和大面積的均勻性。原子薄的TMD有可能滿足這些要求，並將摩爾定律擴展到2納米節點以上。

然而，由於依賴於層的電子特性，單層TMD有幾個基本的限制：(1) 本身的遷移率（受限於聲子散射）和狀態密度比多層對應物低。在現實中，單層中的遷移率被遠處的光聲子和外在的雜質更嚴重地降低；(2) 約2 eV的帶隙導致了大的肖特基（Schottky）勢壘高度和接觸電阻，這最終限制了超大規模FET的電流驅動能力。金屬誘導的間隙態的費米級（Fermi-level）進一步增加了單層TMD的肖特基勢壘高度。

另一方面，量子傳輸模擬一直表明，雙層TMD是平衡5納米以下節點的性能和功耗的最有效點。在實驗上，儘管最初對雙層TMD器件的研究顯示出有較好性能，但事實證明大面積的均勻雙層薄膜的生長是非常具有挑戰性的。以往使用化學氣相沉積（CVD）的嘗試只能生長出孤立的雙層薄片，對產量、方向和均勻性的控制有限。另一個策略是單層的逐層堆疊，但它缺乏精確的方向控制。

利用動力學控制的生長過程，金屬有機CVD能夠通過逐層外延生產出幾層TMD薄膜和異質結構，但生長速度比CVD低幾個等級，這限制了它們的實際使用。到目前為止，精確的層控TMD外延具有大面積的均勻性和明顯的電子性能優勢還沒有被證明。

（圖片來源：Lei Liu / Nature）

此項以題為“Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire”的研究於2022年5月5日發表在《自然》雜誌第605卷上。該研究由Lei Liu, Taotao Li, Liang Ma, Weisheng, Si Gao, Wenjie Sun, Ruikang Dong和Xilu Zou等人展開。

總而言之，這項研究報告了通過邊緣成核和外延在藍寶石襯底上首次生長出可擴展、高度定向、均勻的雙層二硫化鉬薄膜。研究展示了比單層MoS₂更引人注目的電晶體性能，包括TMD FET的流動性、變化和創紀錄的高離子。這項工作為TMD生長中的精確層控制提供了一個總體戰略。研究人員預測，雙層MoS₂是一種更有競爭力的通道材料，可以提高電晶體的驅動電流，同時減少三維垂直堆疊中的複雜性，以達到更好的電晶體技術。

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