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研究背景

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研究成果

近日，华东师范大学Peng Zhou、复旦大学Wenzhong Bao、深圳思碳科技Zihan Xu合作报道了一种改进的化学气相沉积合成方法，通过预沉积非晶态Al₂O₃控制前体和基底的释放，以确保了大至12英寸单层MoS₂的均匀合成，同时还能实现快速无毒的生长以降低制造成本。使用与工业制造工艺兼容的顶栅（TG）结构，还制造了晶圆级FET阵列，以进一步证实薄膜的高质量及其集成电路的应用潜力。这项工作实现了规模-成本-性能指标的协同优化，并为未来的2D半导体IC奠定了至关重要的基础。

相关研究工作以“12-inch growth of uniform MoS₂ monolayer for integrated circuit manufacture”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

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研究内容

1、前体和生长基底的制备

研究者的主要目标是实现一种均匀高效的合成方法，以生产大晶片尺寸的电子级2D半导体，随后可将其作为工业标准IC制造的“硅片”。首先，通过ALD沉积了一层a-Al₂O₃薄层作为“种子促进剂”（ 图1a）。研究发现，这种a-Al₂O₃层有助于生长大规模且均匀的单层2D TMDs；与非晶SiO₂或HfO₂不同，通过ALD生长的a-Al₂O₃可以在不形成针孔的情况下维持高温。因此，它原则上适用在前端生产线（FEOL）和后端生产线（BEOL）中的混合集成。

2、单层2D MoS₂的生长

图1d描述了CVD生长设置。在直径350 mm管式炉中放置两个以MoO₃为中心对称的硫磺粉容器。将前体和基底放入石英管后，抽真空至1 Pa以下 ，然后用氩气冲洗和吹扫几次以去除空气中的污染物。然后，将多孔MoO₃/GO海绵和硫磺粉分别加热至700 °C和220 °C。该设置可避免由流动气氛引起的不均匀分布，并且生长环境更稳定，以更好地控制成核密度。

3、材料表征

为了从理论上研究基底影响单层MoS₂生长的潜在物理机制，使用平板模型进行了基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算。a-Al₂O₃结构是通过分子动力学（MD）模拟获得，其中界面晶格常数与MoS₂晶体超晶胞（每层36个原子）匹配，以消除平面内应力的影响。基底和MoS₂层之间的相互作用可以通过界面能EI来描述。通过四种类型的衬底（a-Al₂O₃、非晶SiO₂（a-SiO₂）、非晶HfO₂（a-HfO₂）和单晶蓝宝石），评估MoS₂在不同基质上的生长。对于每种类型的基底，模拟单层和双层MoS₂。

对于a-Al₂O₃衬底，单层MoS₂层有利于基底与自身之间的一定距离，以保持2D原子结构（图3a），而蓝宝石基底倾向于与MoS₂结合，导致结构畸变，如图3c所示。此外，第二MoS₂层保留了第一层~3.13 Å（图3b），其接近块状MoS₂的层间距，表明a-Al₂O₃基底和第二MoS₂层之间的相互作用相对较小。MoS₂和a-Al₂O₃之间的EI为负（图3e），表明第一MoS₂层可以容易地在a-Al₂O₃基底上生长。第二层的界面能变为正，意味着在Al₂O₃上形成第二层需要更多的能量。在a-SiO₂和a-HfO₂中结果类似，第二层的界面能均为正。对于结晶蓝宝石，第一MoS₂层的界面能为负，而第二层也为负，表明第二MoS₂层可以在第一MoS₂层上自发形成。这种自发生长易形成少量的双层或多层MoS₂岛，从而降低单层的均匀性。非晶衬底使MoS₂单层能够更均匀地生长。

图3. MoS₂生长的第一性原理模拟

5、潜在应用

图3j提供了本合成方法与四种常用方法（ALD、CVD和金属-有机CVD）的比较，根据其可扩展性、生长速率、均匀性、膜结晶度、IC兼容性和制造成本进行分级，即通过不同方法获得的晶圆级MoS₂膜的SCP指标。结果表明，以前技术仅在SCP度量的某一方面有前途，很难实现SCP度量的同时优化。本工作提出的合成方法可以在绝缘基底上直接有效生产连续均匀的单层MoS₂，合成时间相对较短，制造成本较低，从而实现SCP指标的协同优化。

使用与硅IC制造完全兼容的工艺流程，制造了用于电气性能基准表征的MoS₂ TG-FETs。由于12 英寸熔融SiO₂晶片很难用实验室级和电探测工具处理，因此晶片被切成均匀分布的37个小样本（1 cm×1 cm），如图4a，b所示。然后在每块样品上直接批量生产TG-FET阵列（长通道10 µm）。图4c、d分布展示了MoS₂ TG-FET阵列的放大光学显微镜图和单个TG-FET的原理图。n型MoS₂ FET的电力输出（源-漏电流与源-漏电压，IDS-VDS）和传输特性（源-漏电流和TG电压，IDS-VTG）分别如图4e、f所示。结果显示了阈值电压VTH为1.5 V的增强模式操作。图4g显示了12 英寸晶片的迁移率分布。图4h绘制了从所有333个MoS₂ TG-FETs测量的迁移率和ION/IOFF的统计图和高斯拟合。注意到，与迁移率值相比，ION/IOFF变化相对较小，这是合理的，因为迁移率更依赖于器件处理过程，而ION/IOFF比率与固有材料特性更相关。因此，研究者的结论是，12英寸单层MoS₂原则上可用于构建具有低集成密度的器件。

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结论与展望

总之，这项工作合成了行业标准12 英寸的MoS₂单层，具有SCP度量的协同优化。该合成方法通过预沉积非晶态Al₂O₃控制前体和基质的释放，以确保单层MoS₂的均匀合成。研究者设想一系列2D TMD膜可以以类似方式可控地生长。测量的器件性能表明了在不需要高集成密度的电路中应用的可能性。因此，该研究为2D半导体从实验室到晶片厂的转变及融入到成熟的工业试验线提供了一种晶圆级候选材料。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01671-5

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