以二硫化鉬為代表的二維半導(dǎo)體材料是一類戰(zhàn)略新材料，有望解決當(dāng)前晶體管微縮瓶頸，構(gòu)筑出速度更快、功耗更低、柔性透明的新型半導(dǎo)體芯片。而且，與單層相比，多層二硫化鉬更有助于提升器件性能。但是，由于熱動力學(xué)的基本限制，如何實現(xiàn)高品質(zhì)多層二硫化鉬晶圓的制備仍是一個巨大挑戰(zhàn)。

針對該挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件實驗室張廣宇課題組最近發(fā)展了一種逐層外延方法，實現(xiàn)了層數(shù)可控的多層二硫化鉬4英寸晶圓的可控制備，所外延的多層二硫化鉬具有極高的晶體學(xué)質(zhì)量和優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)。該研究以“Layer-by-Layer Epitaxy of Multilayer MoS₂ Wafers”為題發(fā)表在《國家科學(xué)評論》（National Science Review）上。

為了解決晶圓尺度多層二硫化鉬逐層外延的問題，張廣宇研究員課題組自主設(shè)計和搭建了4英寸多源化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，發(fā)展了氧輔助的外延技術(shù)來調(diào)控生長動力學(xué)過程，利用襯底的近鄰效應(yīng)克服了熱力學(xué)的基本限制和逐層外延的困難，最終實現(xiàn)了4英寸晶圓尺度均勻多層二硫化鉬連續(xù)薄膜（最高可達(dá)6層）的可控逐層外延生長。

四英寸多層MoS₂晶圓的逐層外延

基于單層、雙層及三層二硫化鉬晶圓，他們加工了長溝道和短溝道的場效應(yīng)晶體管器件，并表征了器件的性能。電學(xué)測量結(jié)果表明：100納米溝長的晶體管在驅(qū)動電壓V_ds=1V時的開態(tài)電流密度從單層的0.4 mA·μm^-1提高到雙層的0.64 mA·μm^-1和三層的0.81 mA·μm^-1，分別提高了60%和102.5%；40納米溝長的三層二硫化鉬短溝道器件在V_ds=2/1/0.65 V時的開態(tài)電流密度達(dá)到1.70/1.22/0.94 mA·μm^-1的電流密度，為已報道的最高值，且具有超過10⁷的開關(guān)比，優(yōu)于國際器件與系統(tǒng)路線圖(IRDS) 中高性能邏輯器件的2024年目標(biāo)。

研究者還制備了溝長5到50μm的長溝道薄膜晶體管（TFT），其中雙層和三層二硫化鉬的電學(xué)質(zhì)量相比單層得到顯著提高，室溫平均遷移率（最高遷移率）從單層的80 cm²·V^-1·s^-1（131.6 cm²·V^-1·s^-1）提高到雙層的110 cm²·V^-1·s^-1（217.3 cm²·V^-1·s^-1，提高了65.1%）和三層的145 cm²·V^-1·s^-1（234.7 cm²·V^-1·s^-1，提高了78.3%），刷新了目前基于二維過渡金屬硫化物半導(dǎo)體器件的最高遷移率記錄。此外，相比于目前發(fā)展成熟的銦鎵鋅氧化物TFT（遷移率10-40 cm²·V^-1·s^-1）和低溫多晶硅TFT（遷移率50-100 cm²·V^-1·s^-1），大于100 cm²·V^-1·s^-1的平均遷移率揭示了多層二硫化鉬薄膜在TFT應(yīng)用中的巨大潛力。

該工作突破了晶圓級高質(zhì)量多層二硫化鉬連續(xù)膜的逐層外延技術(shù)，為基于二硫化鉬薄膜的大規(guī)模高性能電子學(xué)器件奠定了堅實的材料基礎(chǔ)，預(yù)期可以有效地推動二維半導(dǎo)體材料在TFT、亞10nm超短溝道器件、柔性顯示屏、智能可穿戴器件方面的應(yīng)用。

原文鏈接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwac077/6571939?login=false