蓝宝石上双层二硫化钼的成核和外延现象

一项主要由南京大学研究人员开展的一项研究报告了双层二硫化钼（MoS₂）在c面蓝宝石上的均匀成核（>99%）。二维过渡金属二氯化物（transition-metal dichalcogenides, TMDs）在电子学领域引起了研究人员的广泛兴趣。有人认为，双层TMDs结合了良好的静电控制、较小的带隙和比单层更高的迁移率，有可能改进晶体管的功耗延时产品。然而，尽管在单层TMDs的生长方面取得了进展，但多层可控外延生长仍然是一个挑战。

该研究设计了c面蓝宝石上的原子梯田高度，使边缘成核机制和MoS₂域凝聚成连续的、厘米级的薄片。与基于单层薄片的场效应晶体管相比，基于双层二硫化钼通道制造的场效应晶体管（FET）器件在迁移率（高达122.6 cm² V^-1 s^-1）和变化方面都有很大的改善。此外，短通道场效应晶体管表现出1.27 mA μm ^-1的导通电流，这超过了2028年高性能场效应晶体管的路线图目标。

（图片来源：Lei Liu / Nature）

超越硅的先进晶体管技术对新材料提出了非常严格的要求，这些材料应结合最终的静电控制、足够的驱动电流和大面积的均匀性。原子薄的TMD有可能满足这些要求，并将摩尔定律扩展到2纳米节点以上。

然而，由于依赖于层的电子特性，单层TMD有几个基本的限制：(1) 本身的迁移率（受限于声子散射）和状态密度比多层对应物低。在现实中，单层中的迁移率被远处的光声子和外在的杂质更严重地降低；(2) 约2 eV的带隙导致了大的肖特基（Schottky）势垒高度和接触电阻，这最终限制了超大规模FET的电流驱动能力。金属诱导的间隙态的费米级（Fermi-level）进一步增加了单层TMD的肖特基势垒高度。

另一方面，量子传输模拟一直表明，双层TMD是平衡5纳米以下节点的性能和功耗的最有效点。在实验上，尽管最初对双层TMD器件的研究显示出有较好性能，但事实证明大面积的均匀双层薄膜的生长是非常具有挑战性的。以往使用化学气相沉积（CVD）的尝试只能生长出孤立的双层薄片，对产量、方向和均匀性的控制有限。另一个策略是单层的逐层堆叠，但它缺乏精确的方向控制。

利用动力学控制的生长过程，金属有机CVD能够通过逐层外延生产出几层TMD薄膜和异质结构，但生长速度比CVD低几个等级，这限制了它们的实际使用。到目前为止，精确的层控TMD外延具有大面积的均匀性和明显的电子性能优势还没有被证明。

此项以题为“Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire”的研究于2022年5月5日发表在《自然》杂志第605卷上。该研究由Lei Liu, Taotao Li, Liang Ma, Weisheng, Si Gao, Wenjie Sun, Ruikang Dong和Xilu Zou等人展开。

（图片来源：Lei Liu / Nature）

总而言之，这项研究报告了通过边缘成核和外延在蓝宝石衬底上首次生长出可扩展、高度定向、均匀的双层二硫化钼薄膜。研究展示了比单层MoS₂更引人注目的晶体管性能，包括TMD FET的流动性、变化和创纪录的高离子。这项工作为TMD生长中的精确层控制提供了一个总体战略。研究人员预测，双层MoS₂是一种更有竞争力的通道材料，可以提高晶体管的驱动电流，同时减少三维垂直堆叠中的复杂性，以达到更好的晶体管技术。

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