二維半導體薄膜在任意表面的異質(zhì)外延技術

上海超級計算中心用戶北京大學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)外延生長半導體2H-MoTe2薄膜的通用合成技術，克服了襯底對異質(zhì)外延的限制。2022年8月15日，相關研究成果以“用于大規(guī)模異質(zhì)集成的任意表面上半導體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）。

半導體行業(yè)依賴技術創(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，因此需要新技術來打破晶格失配和結(jié)構(gòu)不對稱對單晶半導體生長的限制。

最近，將二維（2D）半導體與傳統(tǒng)電子和光子學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用。二維半導體表現(xiàn)出高的機械穩(wěn)定性以及獨特的電子和光電特性，非常適合異質(zhì)光電集成。實現(xiàn)高密度集成，光互連結(jié)構(gòu)需要盡可能靠近電子器件。為了實現(xiàn)這一目標，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（如金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）等）。

科研團隊在前期二維碲化鉬（MoTe2）相變與可控制備的基礎上（J. Am. Chem. Soc. 141， 2128-2134， 2019; Science 372， 195-200， 2021）進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，將單晶2H-MoTe2半導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與器件功能。

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