新技術開辟了在半導體技術中用二維材料替代硅的可能性

隨著基于硅的半導體技術接近其性能的極限，非常需要在技術上可以替代或部分替代硅的新材料。最近，石墨烯和其他二維 (2D) 材料的出現(xiàn)為構建下一代半導體技術提供了一個新平臺。其中，過渡金屬二硫?qū)倩?TMD)，如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2，是最具吸引力的二維半導體。

構建超大規(guī)模高性能半導體電路的前提是基礎材料必須是晶圓級的單晶，就像今天使用的硅片一樣。盡管已經(jīng)為 TMD 的晶圓級單晶的生長付出了巨大的努力，但迄今為止的成功非常有限。

來自UNIST基礎科學研究所(IBS)多維碳材料中心(CMCM)的丁峰教授及其研究團隊與北京大學(PKU)、北京理工大學和復旦大學的研究人員合作，最近報道了2英寸單晶WS2單層膜的直接生長。除了WS2 之外，研究團隊還展示了單晶MoS2、WSe2和MoSe2的晶圓級生長。

外延生長大單晶的關鍵技術是保證在襯底上生長的所有小單晶均勻排列。由于 TMD 具有非中心對稱結構或 TMD 的鏡像相對于其邊緣具有相反的排列，因此我們必須通過仔細設計基板來打破這種對稱性。根據(jù)理論計算，作者提出了“的機制雙重耦合引導epitaxŸ增長”的實驗設計。WS2 -藍寶石平面相互作用作為第一驅(qū)動力，導致WS2島的兩個優(yōu)選的反平行取向。WS2之間的耦合藍寶石臺階邊緣是第二驅(qū)動力，它將打破兩個反平行方向的簡并性。然后所有在具有臺階邊緣的襯底上生長的 TMD 單晶都是單向排列的，最后，這些小單晶的聚結形成與襯底尺寸相同的大單晶。

“這種新的雙耦合外延生長機制對于可控材料生長來說是新的。原則上，如果找到合適的襯底，它使我們能夠?qū)崿F(xiàn)將所有二維材料生長成大面積單晶。”該研究的共同第一作者 Ting Cheng 博士說。“我們已經(jīng)從理論上考慮了如何選擇合適的基材。首先，基板應該具有低對稱性，其次，更多的臺階邊緣是優(yōu)選的。”該研究的通訊作者馮丁教授強調(diào)說。

“這是基于二維材料的設備領域向前邁出的重要一步。隨著晶圓級單晶二維 TMD 在過渡金屬襯底上超越石墨烯和 hBN 的絕緣體上的成功生長，我們的研究為電子和光學設備高端應用中的二維半導體提供了所需的基石，”馮丁教授解釋說。

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