WITec用户成果速递 | 北大叶堉团队Science—剑指二维半导体晶圆级单晶生长

有鉴于此，北京大学叶堉教授课题组利用相变和重结晶过程，提出了一种人工育种、单核平面内外延生长的新方法，实现了晶圆尺寸二维单晶2H-MoTe2半导体薄膜的制备。相关研究成果以“Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe2”为题，在线发表于学术期刊Science上。

过渡金属硫属化合物是二维材料中非常重要的一类。MoTe2由于其金属相（1T'）与半导体相（2H）之间的自由能差异非常小，为在MoTe2中实现两个相之间的可控相变提供了基础。

研究团队首先用碲蒸汽碲化磁控溅射钼膜得到含有碲空位的晶圆尺寸多晶1T'相MoTe2薄膜。然后，通过定向转移技术将机械剥离的单晶2H-MoTe2纳米片作为诱导相变的籽晶转移到1T'-MoTe2晶圆的正中央，通过原子层沉积的致密氧化铝薄膜隔绝1T'相MoTe2薄膜与环境中的Te原子接触抑制其他成核。之后在种子区域内打孔，使种子区域成为Te原子补给并维系1T'到2H相变的唯一通道，通过面内二维外延实现了单一成核相变生长的单晶薄膜（图1）。

图1. A 晶圆尺寸单晶MoTe2薄膜的制备过程示意图；B,C 聚集在1T’ MoTe2晶片中心的2H MoTe2纳米晶片生长前后的光学图像；D 种子区域生长前后拉曼光谱对比；E 制备的MoTe2薄膜的光学照片。

研究团队利用WITec共聚焦高灵敏拉曼光谱仪对原子级厚度纳米晶片生长前后进行了拉曼光谱分析，生长过程前，籽晶区域拉曼既有1T'碲化钼的特征峰也有2H碲化钼的特征峰，而生长过程后，仅有2H碲化钼的特征峰，表明植入的籽晶诱导底层1T'碲化钼转变成2H碲化钼。

图2. (a-f) 不同厚度的1T‘ MoTe2在650°下籽晶诱导相变60 min后的光学图像。(g)种子和周围膜区域的拉曼光谱。(h)与厚度相关的相变速率。

垂直2H/1T‘MoTe2界面是关键因素，因为其他二维材料（如石墨烯和HBN）不能用作种子来诱导底部1T’ MoTe2的相变。相变过程中，1T’ MoTe2的Mo和Te原子依据2H/1T’ 垂直界面处2H MoTe2晶格结构发生重排。不同厚度的1T’ MoTe2的籽晶诱导相变实验的拉曼研究结果表明，厚度为2~3nm和35.5nm的1T’ MoTe2膜无法发生相变。对于2至3nm的初始1T’MoTe2膜不连续，而35.5nm的膜非常粗糙。薄膜的不连续和粗糙度导致种子与1T薄膜的界面较差，阻止了种子区域下的薄膜通过垂直界面的相变，相变生长速率随着初始1T’ MoTe2膜厚度的减少而增大。

将得到的晶圆尺寸单晶MoTe2作为模板，通过再次蒸镀钼膜以及再次碲化的方法，可以在垂直方向上实现对该晶圆的快速外延（图3），制备二维半导体的块材单晶晶圆。结合晶圆尺寸的二维层状材料的剥离转移技术，有望实现晶圆尺寸单晶单层MoTe2半导体的批量制备。

图4 以晶圆尺寸单晶2H-MoTe2薄膜为沟道材料，结合相变工程方法制备的1T'/2H/1T'面内异质结场效应晶体管阵列的电学表征。

以该薄膜为沟道材料，结合课题组之前发展的MoTe2相变工程方法制备的大面积1T'/2H/1T'相面内异质结场效应晶体管阵列，器件体现出100%的良率，并具有很好的电学性能，且其电学性能表现出很好的均一性（图4）。