Small:在Au(111)薄膜衬底上生长单层MoS2单晶晶圆

研究背景

自1965年以来,摩尔定律一直指导着半导体工业的发展。迄今为止,硅晶体管正在接近物理极限。为了延续摩尔定律,新兴的二维( 2D) 材料,例如过渡金属二硫属化物 (TMDCs)、黑磷、和石墨烯,为薄沟道晶体管提供了很好的选择。特别是单晶 MoS2 (SC-MoS2),是TMDCs中典型2D半导体,具有优良的电性能,例如可调谐的带隙,高迁移率和高开/关比,使它成为集成电路应用中一个非常有前途的材料。要将MoS2集成到最先进的晶体管和基准电路中,当前最大的挑战之一是如何获得高结晶质量、大尺寸均匀的SC-MoS2薄膜。在多晶薄膜中,当单晶畴合并成膜时会导致不需要的晶界(GB)。GBs通常充当电荷载流子的散射中心,从而降低基于 MoS2的器件的电气性能。此外,GBs还严重影响MoS2薄膜的光学性能、机械性能,甚至化学稳定性。为了满足实际应用中的工业需求,最小化GBs对于实现所需的MoS2性能至关重要以提高设备性能和可重复性。控制衬底上 2D 材料晶畴的对齐以实现无缝拼接被认为是减少或消除 GB 的有效方法。因此,如何精确控制MoS2晶畴的单向取向排列是需要克服的主要障碍。

文章概述

中科院上海微系统与信息技术研究所于广辉研究员课题组在2英寸c面蓝宝石晶圆上的Au(111)薄膜上通过CVD法外延生长单层MoS2单晶。通过退火将多晶Au薄膜转变为Au(111)薄膜,在Au(111)薄膜上MoS2单一取向的比例随着生长温度的升高而增加。这是由于高温可以给MoS2晶种的旋转提供足够的能量,使得MoS2晶种在Au(111)上按照能量最有利的方向排列。通过这种方法获得的MoS2其单一取向的比例超过99%,且晶畴无缝拼接不会形成晶界。这项工作促进了TMDCs在微电子领域的实际应用。

图文导读

图1. 晶圆级SC-MoS2在Au (111) 薄膜衬底上的CVD生长。(a) Au (111) 薄膜衬底制备和 SC-MoS2生长的示意图。(b-d) Au (111) 薄膜衬底上从单一取向晶畴到连续SC-MoS2薄膜的的 MoS2的典型SEM图像。插图显示了在SiO2 /Si 衬底上转移的MoS2的相应 OM 图像。(e) MoS2的Mo 3d 和 S 2s光谱。(f)MoS2的S 2p光谱。(g) 转移到SiO2/Si上的MoS2薄膜在六个随机位置的拉曼光谱。

图2. 蓝宝石上的晶圆级单晶Au (111) 薄膜制造。(a) 蓝宝石上的两英寸单晶Au (111) 薄膜的照片。(b) OM 图像,(c) SEM 图像,和(d)AFM形貌图像。(e)Au(111)与蓝宝石的取向关系示意图。(f)Au/蓝宝石的XRD图谱,显示出清晰的Au(111)面外取向。(g) 蓝宝石上Au (111) 膜在Z方向上的EBSD图。插图显示了Au (111)的极图。(h) X方向的EBSD图。(i) Y方向的EBSD图。

图3. 单一取向MoS2的无缝拼接。(a) Au (111) 薄膜衬底上两个合并的单一取向MoS2晶畴AFM形貌图。(b)氧蚀刻后合并的单一取向MoS2的SEM图像。(c) Au (111) 上SC-MoS2连续膜的AFM形态图像。 (d)转移到SiO2/Si上的SC-MoS2薄膜的OM图像。(e) 拉曼强度图像。(f)转移后SC-MoS2薄膜的PL图像。

图4. 在Au (111) 薄膜衬底上生长的SC-MoS2薄膜的原子结构。(a)转移到TEM网格上的 SC-MoS2薄膜的OM 图像。(b)SAED 模式。(c) b区域1 中蓝色矩形中衍射点的强度分布。(d) 单层 SC-MoS2薄膜的折叠边缘。(E)SC-MoS2的原子分辨率STEM图像,显示出MoS2无缺陷的六方结构。(f)在 4 mm × 6 mm 区域上的 Au (111) 薄膜基板上的 SC-MoS 2薄膜的LEED 图案图像。

图5. Au(111)薄膜衬底上单向MoS2畴的温度引导外延生长机制。(a-c)在 Au (111) 薄膜上生长的 MoS2畴的SEM 图像,生长温度为 800 至 900 °C。(d) 在不同生长温度下生长的MoS2的单一取向比例和平均尺寸的统计图。(e) 覆盖率为15%的Au (111) 膜上单一取MoS2的LEED图案。(f) MoS2 低倍透射电镜图像域和相应的SAED模式。(g) 成核阶段MoS2晶种在 Au (111) 膜上的温度引导外延示意图。

结论

这项工作报告了晶圆级SC-MoS2单层在Au (111) 薄膜衬底上的外延生长。MoS2单晶畴的取向对生长温度有很大的依赖性。高生长温度可以将MoS2晶种旋转到有利的方向,最终达到99%以上的单向比。宏观和微观研究都证实,Au (111) 薄膜上的单向MoS2域可以无缝拼接成单晶单层,而不会形成GBs。这项工作为在晶圆级基板上直接生长SC-TMDCs提供了思路,以促进2D TMDCs在微电子领域的应用。

论文信息:

Single-Crystal MoS2 Monolayer Wafer Grown on Au (111) Film Substrates

Jing Li, Shuang Wang, Qi Jiang, Haoji Qian, Shike Hu, He Kang, Chen Chen, Xiaoyi Zhan, Aobo Yu, Sunwen Zhao, Yanhui Zhang, Zhiying Chen, Yanping Sui, Shan Qiao, Guanghui Yu*, Songang Peng, Zhi Jin, Xinyu Liu

Small

DOI:10.1002/smll.202100743

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202100743