中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-006）———二维半导体单晶晶圆的可控制备

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工作简介

         ——二维半导体单晶晶圆的可控制备

二维层状半导体材料在具有几个原子层厚度的同时能够保持较高载流子迁移率，因而成为抑制短沟道效应、进一步缩小晶体管尺寸的重要备选材料。然而，目前制备大面积二维半导体薄膜的方法大多采用不同成核点成核、晶畴生长拼接而成。这种方法会在晶畴之间形成晶界，而且不能保证半导体薄膜100%的覆盖率，从而限制了基于这类薄膜制备的器件的性能和均一性。基于大面积集成电路对于半导体器件性能以及均一性的要求，在器件基底上直接制备晶圆尺寸连续二维半导体单晶材料是产业界、科研界亟待解决的科学和技术问题。

为此，北京大学物理学院叶堉研究员课题组提出了一种利用相变和重结晶过程制备晶圆尺寸单晶半导体相碲化钼（MoTe₂）薄膜的新方法。过渡金属硫属化合物是二维材料中非常重要的一类。MoTe₂由于其金属相（1T’）与半导体相（2H）之间的自由能差异非常小，为在MoTe₂中实现两个相之间的可控相变提供了基础。实验中，他们首先通过碲化磁控溅射钼膜的方法得到含有碲空位的晶圆尺寸多晶1T’相MoTe₂薄膜。然后，通过定向转移技术将机械剥离的单晶MoTe₂纳米片作为诱导相变的籽晶转移到1T’-MoTe₂晶圆的正中央，通过原子层沉积的致密氧化铝薄膜隔绝1T’相MoTe₂薄膜与环境中的Te原子接触抑制其他成核。之后在种子区域内打孔，使种子区域成为Te原子补给并维系1T’到2H相变的唯一通道，通过面内二维外延实现了单一成核相变生长的单晶薄膜（图1）。实验中发现，籽晶首先通过1T’/2H的垂直界面诱导了种子底部1T’相MoTe₂的相变，进而形成了面内的1T’/2H的异质结继续诱导相变的发生。整个相变过程伴随着以异质界面处2H相MoTe₂为模板的重结晶过程，使得相变后的整个薄膜的晶格结构和晶格取向与籽晶完全一致，最终得到晶圆尺寸的单晶MoTe₂薄膜。该制备方法通过原子的扩散和重排过程实现，无需以衬底为模板，因此可以在非晶的SiO₂衬底上进行，为后续的器件制备提供了基础（图2）。

图1 a，晶圆尺寸单晶MoTe₂薄膜的制备过程示意图。b，制备的MoTe₂薄膜的光学照片。c，种子区域的STEM表征。

图2 晶圆尺寸单晶MoTe₂薄膜的晶向表征。

将得到的晶圆尺寸单晶MoTe₂作为模板，通过再次蒸镀钼膜以及再次碲化的方法，可以在垂直方向上实现对该晶圆的快速外延，制备二维半导体的块材单晶晶圆。结合晶圆尺寸的二维层状材料的剥离转移技术，有望实现晶圆尺寸单晶单层MoTe₂半导体的批量制备。以该薄膜为沟道材料，结合课题组之前发展的MoTe₂相变工程方法制备的大面积1T’/2H/1T’相面内异质结场效应晶体管阵列，器件体现出100%的良率，并具有很好的电学性能，且其电学性能表现出很好的均一性。

该工作以“Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe₂”为题，于2021年4月9日在线发表于学术期刊《科学》（Science）上。北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所叶堉研究员为文章通讯作者，博士后徐晓龙为文章的第一作者。北京大学高鹏研究员、陈基研究员、徐万劲高级工程师，山西大学韩拯教授为本项研究的主要合作者。这一工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、人工微结构和介观物理国家重点实验室等支持。

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作者简介

第一作者

徐晓龙，北京大学博雅博后。

2020年于北京大学物理学院获得博士学位，现为北京大学物理学院博雅博后。获得2020年博后科学基金特别资助。博士期间专注于二维半导体材料的制备以及相关电子及光电子器件的制备工作。博后期间，同时进行二维磁性材料新颖的磁结构研究。对二维半导体的生长机制，大面积高质量二维半导体的制备以及降低基于二维半导体的场效应晶体管的接触电阻等方向进行了系统的研究：

1.揭示了二维碲化钼薄膜中金属相与半导体相之间的相变机制，发现了相变过程中伴随的重结晶行为。

2.发展出制备大面积金属相与半导体相碲化钼面内异质结阵列的方法，极大地降低了器件的接触电阻。

3.提出了原子尺度修复碲化钼薄膜宏观缺陷的方法。

4.提出了制备晶圆级单晶碲化钼薄膜的新策略并实现了其快速外延。

相关研究工作被多家媒体做亮点报道。

迄今已发表论文20余篇。其中，第一作者论文6篇，包括·Science 1篇，JACS 1篇, PRX 1 篇，AM 1 篇，Nano Letters 1 篇）。

通讯作者

叶堉，北京大学物理学院研究员、博士生导师。

2012年获得北京大学博士学位，2012-2016年在加州大学伯克利分校从事博士后研究工作。2016至今任北京大学研究员。目前课题组（http://faculty.pku.edu.cn/yeyu/）主要研究方向为利用低温强磁场下的光谱和电磁输运技术研究二维材料及其异质结构的新奇物理特性，并构建相关器件。近年来，发表科学论文80余篇，引用4900余次，h因子34。

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原文传递

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/372/6538/195.full

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

文章来源“半导体学报”公众号

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