TMD，Nature！

▲第一作者：Donghoon Moon

通讯作者：Gwan-Hyoung Lee

通讯单位：首尔国立大学

论文doi：10.1038/s4158 6-024-08530-6 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

背景介绍

二维半导体材料（如过渡金属二硫属化合物，TMDs）因在纳米尺度下保持优异电学、热学和机械性能，被视为后硅时代电子器件的关键候选材料。然而，传统化学气相沉积（CVD）法需在单晶基底（如蓝宝石）上外延生长TMDs，后续转移至目标基底时面临厚度控制难、晶界缺陷多、规模化生产受限等问题。 本文提出“下延生长”（hypotaxy）技术，通过二维模板（如石墨烯）引导TMDs在非晶或晶格失配基底上直接生长晶圆级单晶薄膜，突破了传统外延技术的局限性，为三维集成和先进半导体工艺提供了新方案。

本文亮点

1. 本工作实现了晶圆级单晶 TMDs 的突破性生长 。 通过石墨烯模板引导金属薄膜硫化 / 硒化，直接在非晶基底上生长单晶 TMDs ，无需转移过程。

2. 本工作可以精确控制层数，实现从单层到数百层的灵活调控。通过调节金属薄膜厚度，实现 TMDs 层数的精确控制，且层间无缺陷。

3. 本工作给出了高性能热学与电学特性，推动器件应用。单晶 MoS₂ 展现高热导率（ ~120 W/m·K ）和高迁移率（ ~87 cm²/V·s ），适用于高性能电子器件。

图文解析

图 1. 外延和内禀的生长机制

要点：

1、 传统外延（图 1a ）依赖基底晶格匹配，而 下延生长 （图 1b ）利用石墨烯纳米孔作为硫 / 硒原子通道，诱导 TMD 晶核向下生长，最终形成单晶薄膜，证明了本工作合成的 下延生长 机制的优异性能。

2、 本工作给出了石墨烯的模板作用。石墨烯在硫化过程中形成纳米孔（图 2e-h ），其晶格方向引导 MoS₂ 晶核排列一致，确保单晶形成。

3、 实验证明 下延生长 可在 SiO₂ 、 HfO₂ 、 Au 等多种基底上生长 TMDs ，突破传统外延的基底限制。

图 2. 下轴向生长的分步过程

要点：

1、 图 2 展示了通过 CVD 生长的单晶单层石墨烯分步生长 MoS2 的示意图以及相应的 TEM 图像、选区电子衍射 ( SAED ) 图案和横截面 TEM 图像。

2、 采用聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 转移工艺将 CVD 生长石墨烯转移到沉积在 SiO ₂ 衬底上的 Mo 薄膜上。硫化过程在 1000°C 下进行，以实现 MoS ₂ 生长过程中石墨烯的完全去除。

3、 温度对亚晶生长的影响将在后面讨论。硫化 30 min 后， TEM 和 SAED 图像显示石墨烯和 Mo 膜没有明显变化 ( 图 2a-d) 。然而，拉曼光谱和 TEM 图像中 D 峰的出现表明石墨烯受到了轻微的破坏。经过 60 min 后，本工作可以通过石墨烯纳米孔观察到几个纳米 ( 以红色区域表示 ) 的纳米级 MoS2 晶核 ( 图 2e-h) 。

4、 如图 2g 的 SAED 图所示，所有 MoS ₂ 晶核与石墨烯晶体学取向一致。图 2h 的横截面 TEM 图像显示 MoS ₂ 层生长在石墨烯下方，剩余的 Mo 膜生长在 MoS ₂ 下方，这表明了向下的硫化过程。在 90 min 后，伴随着石墨烯中纳米孔的扩大，定向排列的 MoS ₂ 晶核聚集成更大的晶粒，而没有晶界 ( 图 2i,j) 的形成。

图 3. MoS ₂ 亚轴生长中的层控性

要点：

1、 本工作给出了层数与金属厚度的线性关系。 Mo 薄膜厚度（ 0.1–0.8 nm ）对应 1–4 层 MoS₂ （图 3a ），通过自限制生长机制实现层数精确调控。

2、 拉曼光谱验证 ： E₂g 与 A₁g 峰间距（ Δω ）随层数增加而减小（图 3b ），与剥离单晶 MoS₂ 数据一致，证明层间耦合强度可控。

3、 高分辨 TEM 图像 如图 3c-d 所示。从单层（ 1L ）到 99 层（ 99L ）的 MoS₂ 均呈现连续层状结构，无多层斑块或晶界，表明生长过程高度均匀。

图 4. 4 英寸单晶 MoS ₂ 的轴下生长

图 5. 亚轴向生长的单晶 MoS ₂ 的热学和电学性质

要点：

1、 多晶与单晶对比：多晶石墨烯模板（ poly-Gr ）导致多晶 MoS₂ （ poly-MoS₂ ），而单晶石墨烯模板（ single-Gr ）生长出晶圆级单晶 MoS₂ （ single-MoS₂ ）（图 4a-h ）。

2、 本工作证明了晶圆级均匀性。 4 英寸单晶 MoS₂ 的拉曼光谱图（图 4j-l ）显示全晶圆范围内 E₂g 和 A₁g 峰位、强度及半高宽高度一致，证明结晶质量优异。 EBSD 图谱（图 4m ）显示 MoS₂ 晶粒取向完全一致，无晶界或孪晶缺陷。

3、 通过时域热反射法（ TDTR ）测得单晶 MoS₂ 面内热导率达 120±30 W/m·K （图 5c ），接近理论值，显著高于多晶样品（ ~20 W/m·K ）。

4、 单层 MoS₂ FET 的迁移率（ μFE ）达 87 cm²/V·s ，开关比（ Ion/Ioff ）超过 10⁷ （图 5d-e ），优于传统 CVD 生长的器件，证明了场效应晶体管（ FET ）性能。

5、 晶圆级器件均匀性： 77 个 FET 器件阵列（图 5f ）全部正常工作，迁移率和开关比分布集中（图 5g ），证明工艺稳定性和材料一致性。

总结与展望

本文提出的 hypotaxy 技术，通过二维模板引导的向下生长机制，实现了晶圆级单晶 TMDs 的直接合成，解决了传统外延生长的基底限制和转移难题。其核心创新包括：

1、基底普适性 ： 可在非晶、金属、氧化物等多种基底上生长，支持三维集成。

2、层数精确控制 ： 从单层到数百层的灵活调控，满足不同器件需求。

3、低温工艺兼容性 ： 结合预纳米孔技术，降低生长温度至 400°C ，适配半导体后端制程。

单晶 TMDs 展现的高热导率和高迁移率，为高性能晶体管、热管理器件和光电集成提供了理想材料平台。未来研究可进一步探索其他 TMDs （如 MoTe₂ ）的 下延 生长，并优化界面工程以提升器件性能。这一技术有望推动二维半导体从实验室走向产业化，重塑下一代电子器件的制造范式。

原文链接：

https://www.nature.com/articles /s41586-024-08492-9

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