科研进展丨松山湖材料实验室突破单层二硫化钼8英寸晶圆外延技术

2024-05-15
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以单层二硫化钼(MoS2)为代表的二维半导体具有极限物理厚度、原子级平整表面、及优异的电学性能,被认为是后摩尔时代突破亚纳米技术节点的集成电路沟道材料。相关研究在过去十多年中已经成为材料、物理、和器件研究的前沿,同时,业界先进半导体加工厂如台积电(TSMC)、英特尔(Intel)、三星(Samsung)、及比利时微电子研究中心(IMEC)等也在积极布局和开发基于二维半导体的集成电路技术。

实现大规模二维半导体集成电路的制造,高质量二维半导体晶圆材料是基础也是关键,为器件良率和性能提供重要保障。过去一年中,国际上几个团队如麻省理工学院的Tomás Palacios团队与Jing Kong团队合作发表的Nat. Nanotech. 2023, 18, 456,复旦大学周鹏团队、包文中团队与六碳科技有限公司合作发表的Nat. Mater. 2023, 22, 1324,松山湖材料实验室刘开辉团队与张广宇团队合作发表的Sci. Bull., 2023,68, 1514工作中已经报道了8-12英寸多晶单层二硫化钼晶圆制备。多晶中具有密集的晶界,会严重影响了材料的空间和电学均匀性,进而造成器件良率和性能的退化。相比于多晶材料,在单晶衬底上高定向外延的单层二硫化钼晶圆具有更高的晶体质量和电学性能,在构筑高性能集成器件方面具有优势。然而,目前实现的高定向外延单层二硫化钼晶圆最大尺寸记录为中国科学院物理研究所、松山湖材料实验室张广宇团队在2020年发表的Nano Lett. 2020, 20, 7193工作中报道的4英寸。

近期,由松山湖材料实验室、中国科学院物理研究所、北京大学、华南师范大学组成的联合研究团队,在张广宇研究员的指导下,基于已经积累的设备和材料生长经验,创新性地搭建了一台八英寸垂直化学气相沉积系统,并在单晶蓝宝石衬底上外延生长了8英寸高定向单层二硫化钼晶圆。所外延的单层二硫化钼薄膜由两种反平排布的晶畴无缝拼接而成,在整个8英寸晶圆尺度上保持完整、单层、和一致性,显示出极高的晶体学质量。基于单层二硫化钼8英寸晶圆制备的场效应晶体管平均电子迁移率超过50 cm²/V·s,开关比超过10⁷,展示出优异的电学质量。此外,研究团队还成功实现了基于单层二硫化钼8英寸晶圆的逻辑电路和11阶环形振荡器的批量制备,器件均表现出优异的电学输出性能。该工作预期可加速推动二维半导体从实验室到工厂(lab-to-fab)的进程,为新一代电子技术的发展提供关键材料和技术支撑。

相关研究成果以“Eight In. Wafer-Scale Epitaxial Monolayer MoS2”为题发表在Adv. Mater., 2024, 2402855上。松山湖材料实验室二维材料团队余画、黄良峰、周兰英,中国科学院物理研究所彭雅琳、李修臻为共同第一作者;北京大学刘开辉教授,松山湖材料实验室李娜特聘研究员和张广宇研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部重点研发计划,国家自然科学基金委,广东省重点研发计划等项目的支持。

 

文章链接: https://doi.org/10.1002/adma.202402855

 

图1. 八英寸垂直化学气相沉积系统及8英寸晶圆上外延得到的单层MoS2薄膜

图2.单层8英寸单层MoS2薄膜结构及光学性质表征

图3.单层8英寸单层MoS2薄膜均一性表征及其场效应晶体管电学性能统计

图4.基于8英寸单层MoS2薄膜的各种逻辑器件及11阶环形振荡器性能测试

 

 

撰稿:二维材料团队