晶圆级二硒化钼单晶外延生长 | NSO

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过渡金属硫族化合物（TMDC）被视为未来集成电路的关键沟道材料之一。晶圆级的单晶薄膜可控制备是实现产业化应用的基础。在诸多TMDC家族中，目前仅有二硫化钼、二硫化钨单晶薄膜被报道，更多TMDC材料的大面积单晶制备仍然存在困难。一方面，衬底设计必须确保单一方向的晶粒形核。另一方面，外延工艺设计必须确保源的精准、持续、稳定供给，方能得到连续、均匀的薄膜。针对衬底问题，斜切C面蓝宝石、a面蓝宝石、单晶Au(111)衬底等诸多策略已有报道。而工艺问题的核心，涉及气相前驱体供给的可控性。具体地：1）固态源的可控升华。对于绝大多数TMDC 材料，其金属源、金属氧化物源往往具有高的熔沸点、极低的饱和蒸气压，无法满足材料的有效生长；2）氧化物源具有高的反应势垒。比如常用的MoO₃和WO₃源，升华后得到环状（MoO₃)₃、（WO₃)₃气体分子。硫族元素与环状分子反应，打开环状分子的化学键，需要克服较高的反应势垒。引入氢气有助于促进这一反应的进行，但H₂也将进一步还原金属氧化物，影响其挥发速率。

针对上述问题，李涛涛副研究员和王欣然教授发展了TMDC的氯化物气相外延工艺实现TMDC的大面积单晶制备。该工艺使用HCl气体与金属源原位反应，产生金属氯化物气体，与硫族元素反应，在衬底表面得到大面积TMDC材料。以MoSe₂为例，使用微量HCl气体（1-5 sccm）流经加热的金属Mo，原位反应释放MoCl₅气体，进入外延腔体与Se和H₂反应得到MoSe₂。MoCl₅的流量/浓度可由HCl的流量和Mo源温度、Mo源的量精确控制。金属氯化物具有高的饱和蒸气压和强的反应活性，可以实现大面积材料的可控生长。利用前期研究成果中所设计的C/A-1°蓝宝石衬底，成功得到2英寸的MoSe₂单晶薄膜。在该方案中，金属源可以持续使用，避免了反复添加，大大减少操作流程，具备极大的产业化优势。

该工作采用了一系列表征手段，包括反射式高能电子衍射（RHEED）、低能电子衍射(LEED)、二次谐波(SHG)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、光学显微镜、拉曼光谱、PL等技术，系统地表征了MoSe₂与衬底的外延关系，论证了材料的单晶特性，证实了较高的晶体质量。

由于绝大部分金属均可与HCl气体发生高温反应，得到对应的气相金属氯化物，HVPE方案将推进晶圆级二维单晶薄膜的普适性制备。

该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金的大力支持。