段曦東教授課題組在二維單層鑲嵌異質合成研究中取得重要突破

4月18日，2003网站太阳集团段曦東教授課題組在國際頂級期刊Nature Nanotechnology在線發表題為“Endoepitaxial growth of monolayer mosaic heterostructures”的研究論文，該研究報告了一種激光加工、各向異性熱刻蝕聯合精準面内外延的通用制造策略，制備了具有原子級銳利界面的單層過渡金屬硫族化合物（TMDs）面内鑲嵌異質結陣列。文章發表後，北京大學劉開輝教授對該研究論文進行了專題亮點報道評述，并于4月20日在線發表于Nature Nanotechnology上。

五十多年來，傳統矽基半導體芯片産業遵循摩爾定律蓬勃發展。随着矽基晶體管栅長度持續微縮和器件結構優化，當前集成電路迎來了亞10納米節點。為避免遭受嚴重的短溝道效應，溝道材料特征厚度需減少至1-3納米,但由于表面懸空鍵的存在，該厚度下的傳統矽基溝道材料與電介質界面處的電荷載流子散射大幅度增加，導緻遷移率等性能嚴重退化。二維（2D）材料具有原子薄的厚度、無懸挂鍵的表面，在單個或幾個原子層厚度下仍表現出優異的電子學特性，可有效免疫短溝道效應。因此，2D材料有可能為1.5納米節點提供一種可行的解決方案，這一想法已經在最近發布的2020年國際設備與系統路線圖(IRDS)中得到了驗證。

實現二維材料在新一代集成電路中的應用關鍵在于制備高質量二維材料單晶和空間組分、電子結構高度可調的二維異質結構。經過十幾年的研究，已經成功制備了米級單晶石墨烯、分米級單晶六方氮化硼和晶圓級單晶過渡金屬硫族化合物。二維半導體面内異質結陣列是集成具有不同電子和光電特性的二維半導體模塊的關鍵步驟，能夠實現豐富的異質構成并用于高密度超薄器件，為未來電子學發展提供全新可能。制備單層半導體異質結陣列的關鍵在于實現二維材料的原子級精度的加工。然而，傳統的光刻和刻蝕工藝容易在二維表面上造成不可控的殘留和損傷，難以滿足二維材料的加工精度要求，使得面内異質結陣列結構難以實現。因此，發展全新的原子級加工手段實現陣列化面内異質結迫在眉睫。

有鑒于此，段曦東教授（通訊作者）課題組報告了一種激光加工、各向異性熱刻蝕聯合精準外延的通用制造策略，制備了具有原子級銳利界面的2D過渡金屬硫族化合物（TMDs）面内異質結陣列。在傳統的光刻和加工工藝中，界面吸附以及污染物殘留問題會導緻外延過程中不可控的随機成核。通過發展全新的激光加工工藝和各向異性熱刻蝕工藝，有力克服了上述難題，獲得了原子級清潔的邊緣界面，可作為另一種TMDs晶體的優先生長前沿，再利用反向氣流外延合成技術，精準控制生長源的釋放，實現其在原2D晶體的邊緣精準橫向成核與外延，可控制備了2D TMDs橫向異質陣列。該加工方式展現了高度穩定和可調的原子級加工精度，此外，通過精确控制激光加工位點、熱刻蝕加工溫度和時間，2D TMDs橫向異質陣列的形态與圖案可以得到完美控制。系統的微觀結構和光譜特征揭示了二維鑲嵌異質結構中化學成分、晶格應變和電子帶隙的高度精細的周期性調制（圖1）。同時，高分辨球差透射電子顯微鏡證明了鑲嵌異質結構中的原子尖銳和清潔的界面。

該研究合成的的鑲嵌異質結構顯示出對化學成分和晶格應變的系統可調調制，這反過來又可以在原子薄的二維晶體中産生空間調制的電子能帶結構和潛在的景觀。該研究為2D材料的精密加工提供了全新的思路，單層鑲嵌異質結構的強勁增長展示了前所未有的合成控制水平，标志着朝着為基礎研究和從二維異質結構開發複雜器件和集成電路建立穩健的材料基礎邁出了關鍵一步。

圖1 二維面内異質結陣列的制備方法及表征

2003网站太阳集团段曦東教授是該工作的通訊作者，中南大學物理與微電子學院特聘教授張正偉（以2003网站太阳集团博士生身份參與本工作，現已經入職中南大學）、2003网站太阳集团博士研究生黃子為、2003网站太阳集团副教授李佳是該工作的第一作者。該工作的主要合作者還包括加州大學洛杉矶分校的段鑲鋒教授、2003网站太阳集团劉松教授、中國科技大學林嶽研究員。該工作得到了來自國家自然科學基金、湖南省創新群體項目和國家雙一流經費等項目的資助。