二維半導(dǎo)體薄膜在任意表面的異質(zhì)外延技術(shù)

上海超級計算中心用戶北京大學(xué)陳基研究員與合作者提出了一種在不同晶體對稱性、不同晶格常數(shù)和三維架構(gòu)基底上異質(zhì)外延生長半導(dǎo)體2H-MoTe2薄膜的通用合成技術(shù)，克服了襯底對異質(zhì)外延的限制。2022年8月15日，相關(guān)研究成果以“用于大規(guī)模異質(zhì)集成的任意表面上半導(dǎo)體2H-MoTe2薄膜的異質(zhì)外延”（Heteroepitaxy of semiconducting 2H-MoTe2 thin films on arbitrary arbitrary surfaces for large-scale heterogeneous integration）為題，在線發(fā)表于《自然?合成》（Nature synthesis）。

半導(dǎo)體行業(yè)依賴技術(shù)創(chuàng)新來保持器件小型化和成本降低的步伐。同時，信息的高速傳輸和處理需要將電子和光子器件集成在同一芯片上。因此，未來發(fā)展將同時采用平面和三維 （3D） 復(fù)合架構(gòu)。在材料集成的不同策略中，外延生長是制造具有高質(zhì)量界面的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效途徑。然而，在具有大晶格失配的任意材料（更不用說3D架構(gòu)）上異質(zhì)外延傳統(tǒng)3D 晶體薄膜且不產(chǎn)生具有高密度缺陷的界面是極具挑戰(zhàn)性的，因此需要新技術(shù)來打破晶格失配和結(jié)構(gòu)不對稱對單晶半導(dǎo)體生長的限制。

最近，將二維（2D）半導(dǎo)體與傳統(tǒng)電子和光子學(xué)器件無縫集成引起了人們的極大興趣，這為硅基芯片帶來了新的應(yīng)用。二維半導(dǎo)體表現(xiàn)出高的機(jī)械穩(wěn)定性以及獨(dú)特的電子和光電特性，非常適合異質(zhì)光電集成。實(shí)現(xiàn)高密度集成，光互連結(jié)構(gòu)需要盡可能靠近電子器件。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先需要開發(fā)一種在任意結(jié)構(gòu)上直接合成單晶二維半導(dǎo)體的異質(zhì)外延方法，包括在高度晶格不匹配的基底和非平面的3D架構(gòu)上。因此，必須開發(fā)一種新的可以解除襯底限制的合成范式，即不同于傳統(tǒng)的垂直外延工藝（如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）等）。

科研團(tuán)隊(duì)在前期二維碲化鉬（MoTe2）相變與可控制備的基礎(chǔ)上（J. Am. Chem. Soc. 141， 2128-2134， 2019; Science 372， 195-200， 2021）進(jìn)一步提出了一種不受支撐基底限制的平面內(nèi)二維橫向外延技術(shù)，將單晶2H-MoTe2半導(dǎo)體薄膜與高度晶格失配的平面晶體或任意形貌的3D架構(gòu)異質(zhì)集成（圖1），從而發(fā)展前所未有的集成技術(shù)與器件功能。

研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目以及上海超級計算中心、北京大學(xué)長三角光電科學(xué)研究院等機(jī)構(gòu)的支持。