文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202402855
摘要
大规模、高质量和均匀的单层二硫化钼（MoS2）薄膜对下一代电子和光电子器件的应用至关重要。外延生长是实现高质量MoS2薄膜的主流技术，并已在4英寸晶圆级规模上得到验证。在本研究中，报道了在蓝宝石上外延生长具有优异空间均匀性的8英寸晶圆级高度取向的单层MoS2，采用特别设计的垂直化学气相沉积（VCVD）系统。基于8英寸晶圆级单层MoS2薄膜的场效应晶体管（FET）表现出优异的性能，平均迁移率为53.5 cm² V⁻¹ s⁻¹，开关比为10⁷。此外，还展示了批量制造的逻辑器件和11级环形振荡器，展示了出色的电学功能。这项工作为MoS2在实际工业规模应用中铺平了道路。
研究背景和主要内容
2D 半导体因其独特的物理和化学性质而在下一代电子和光电子应用领域引起了广泛关注。要实现实际应用，必须从工业规模的高质量 2D 半导体薄膜开始。值得注意的是，最近已经展示了 12 英寸晶圆级单层 MoS2薄膜。然而，这些大的单层 MoS2薄膜是多晶的，具有密集的错误取向的晶粒边界( GB )，这不仅会通过散射电荷载流子降低其电传输性能，还会通过破坏结构并引起不稳定性而降低其机械性能。为了减少这种有害的 GB，外延生长被认为是一种有效的策略。不幸的是，2D 半导体外延的最大晶圆尺寸限制为 4英寸。
为了进一步扩大外延二维半导体晶片的规模，我们在本文中报告了使用自制的 VCVD 方法在单晶蓝宝石衬底上创纪录地外延生长单层 MoS2的 8 英寸晶片规模。外延 MoS2单层在整个 8 英寸晶片上是均匀的，并且仅由两个反平行畴取向组成，并且错误取向的晶界被大大抑制。这些 8 英寸晶片级单层还表现出相当高的电气质量，平均电子迁移率为 53.3 cm2V−1s−1（最高为 75.2 cm2V−1s−1），FET 的开/关比超过 107。此外，我们还展示了使用这些 8 英寸单层 MoS2晶片批量生产逻辑器件和环形振荡器。
图1 8 英寸单层 MoS2在蓝宝石晶片上的外延。a) VCVD 装置示意图。S（MoO3）源装入三个（六个）独立的容器中，容器中流动着载气，位于温度区域 1（区域 2），基板装入温度区域 3。b) 区域 3 下 930°C 时基板表面的模拟温度分布。c) 基板表面的模拟载气浓度分布。d) 典型的原生 8 英寸单层 MoS2 晶片的照片。e ) 生长 30 分钟后合成 MoS2的光学显微镜图像。可以以反向平行的方式看到取向域。f) 蓝宝石上单层 MoS2的光学显微镜图像。插图显示红色箭头区域的 AFM 图像。
图2 高度取向的单层 MoS2薄膜。a–c) 原生 O 掺杂单层 MoS2薄膜的 XPS、拉曼、PL 光谱。d) 高度取向的单层 MoS2薄膜的 SHG 映射，可清晰看到 GB。e) GB 两侧两个晶粒（如图 [d] 所示）的 SHG 强度极坐标图。f) 选定区域直径约为 1 µm 的薄膜的 SAED 图案。g) GB 处的 HRTEM 图像。黄色三角形标记域的方向，虚线标记 GB 的位置。h) 平面内 XRD θ –2 θ衍射图。i) (101¯0） 和 （112¯0) 平面。 8 英寸 MoS2和蓝宝石晶片。
图3 8 英寸单层 MoS2的均匀性表征。a、b) 8 英寸晶圆上 B
