Nano-Micro Letters四川大学王泽高团队和丹麦奥胡斯大学董明东团队系统总结了MoS₂晶圆级技术最新进展。作为层状材料的杰出代表，二硫化钼(MoS₂)具有优异的物理特性，如高载流子迁移率、稳定性和在地球上的丰富性。此外，其合理的带隙和与微电子兼容的制造特性使其成为未来先进集成电路(如逻辑电子、柔性电子和焦平面光电探测器)中最有希望的候选材料。然而，为了实现MoS₂的全方位应用，需要不断探索获得高质量和大面积的薄膜以促进其产业化。目前，MoS₂的晶粒尺寸已经从几微米提高到亚毫米，但晶圆级MoS₂的高质量生长仍然是一个巨大的挑战。本综述主要关注MoS₂的制备方法演变，包括化学气相沉积、金属有机化学气相沉积、物理气相沉积和热转换技术方法。然后，分类整理了关于生长和优化机制的最先进的研究，包括成核、取向、晶粒和缺陷工程。最后，总结了MoS₂在晶体管、逆变器、电子和光电探测器中的晶圆级应用。
Emerging MoS₂ Wafer‑Scale Technique for Integrated Circuits本文亮点
1. 从MoS₂的可控生长和在集成电路中的潜在应用方面总结了其技术现状。
2. 讨论了促进剂、衬底、压力、催化剂和前驱体对成核和生长的影响。
3. 从材料和设备应用方面概述了晶圆级MoS₂的当前挑战和未来前景。
内容简介
1965年，摩尔定律的提出提升了人们对集成电路及其元器件加工技术的更新速度。近年来，随着信息技术的不断推进，硅晶体管的尺寸已经接近其物理极限，因而寻找一种新型可靠的半导体替代材料逐渐成为新的科研焦点。作为一种类石墨烯材料，MoS₂自身具有优异的物理化学性能，为摩尔定律的延续提供了可能性。本征的MoS₂是一种n型半导体，且带隙宽度随层数的变化可调，单层薄膜的禁带宽度约为1.83 eV。四川大学王泽高课题组基于可查文献和实验经验总结了晶圆级单层MoS₂单晶薄膜的生长技术，并对其在集成电路领域的应用进行了展望。总结而言，于当前众多二维薄膜生长技术中，化学气相沉积 (CVD) 仍是高效获得良好结晶质量和晶畴尺寸单晶薄膜的不二选择。同时，为了实现薄膜加工与现有的半导体技术兼容，满足集成电路的加工条件，也要求所得薄膜是高质量的。因此，本文主要梳理了近年来基于CVD生长MoS₂单晶薄膜的技术进展，重点讨论了前驱体类型、生长压力、载气和催化剂效应等生长因素对于MoS₂薄膜结构和性能的影响，以期对后续进一步提升MoS₂单晶晶畴尺寸和场效应迁移率提供借鉴。
图文导读
I 前驱体类型对于MoS₂层状薄膜形貌及晶畴尺寸的影响
固体MoO₃粉末可能实现厘米级的单层连续MoS₂薄膜。然而，MoO₃的蒸气压很低，需要加热辅助来促进蒸发。此外，很难控制气相组合和沉积速率，因此需要提高成核密度、薄膜厚度和基底覆盖的可控性。以MoO₃粉末作为Mo源所制备的MoS₂单晶晶畴尺寸分布在10-100 μm, 载流子迁移率也在0.04-42 cm2V⁻1s⁻1之间变化很大。另一方面，进一步的研究指出，作为MoO₃的非定量亚氧化物，MoO₃₋ₓ具有更高的反应性，可以更好地进行反应。Li等人指出，可转移的纳米粒子反应中间物(如MoO0.79Se0.24 )可以作为Mo源和成核点生长的直接来源。
图1. 前驱体类型对薄膜结果的影响: a. 使用MoO₃作为前驱体的生长机制; b. 使用MoCl₅作为前驱体的生长机制; c. 使用Mo箔作为前驱体的生长机制; d. 使用Na2WO4作为前驱体的生长机制。
II 生长气氛对于MoS₂层状薄膜形貌及晶畴尺寸的影响
作为一种惰性气体，Ar是最常用的载气。由于它在生长过程中不参与任何反应，它只是稀释和运输反应物，因此其对MoS₂的生长几乎没有影响。然而，合适的载气可以解决前驱体、基材、温度等无法解决的问题。最近，有研究表明部分类型气体可以促进MoS₂的生长并蚀刻不必要的核，如O₂和H₂。因而越来越多的研究人员倾向于将它们与Ar气体混合以促进薄膜生长。类似地，N₂也是一种惰性气体，不参与反应。Van der Zande等人仅用N₂作为载气，获得了高质量的单层单晶MoS₂薄膜，显示出与机械剥离的MoS₂相当的光电性能。并且最大的晶畴尺寸达到了120 μm，载流子迁移率约为8 cm2V⁻1s⁻1。除开气体类型的影响，同种气体变化的气体通量也能达到修饰薄膜性能的目的。Sial等人在H₂的协助下通过调节合适的气体通量成功将单晶MoSe₂的晶格尺寸扩大到60 μm，甚至形成了连续的薄膜。
图2. 生长气氛的影响: a-c 使用氧气混合的Ar作为气氛; d 使用H₂混合的Ar作为气氛; e-g 使用H₂O混合的Ar作为气氛。
III 催化剂对于MoS₂层状薄膜形貌及晶畴尺寸的影响
碱金属卤化物作为一种已被发现的二维薄膜生长催化剂，可支持金属前体的运输，并抑制成核实现薄膜的尺寸增长，包括NaCl、KCl、KI等。以NaCl为例，少量的NaCl可以降低反应温度，减少能源消耗。它可以应用于液相和固相方法。在前一种情况下，NaCl和金属前体首先被配置成均匀的溶液，然后被旋涂在衬底上，这可以促进吸附的迁移，在加热过程中可以促进吸附的原子迁移，支持晶圆级MoS₂薄膜的快速生长。氯化钠对扩大薄膜尺寸的影响是明显的。最近，Luo等人证明了引入NaCl会激活MoS₂的基底面并促进其多层生长，获得AAA堆叠的三层MoS₂薄膜。
图3. 碱金属卤化物对TMDC的催化生长：a 催化机制; b, c 1毫米大小的MoS₂的生长实现; d, e AAA级堆叠的三层MoS₂的生长。
IV MoS₂在集成电路中的应用
MoS₂的晶圆级生长已经得到了广泛的研究，从其纳米级增长到2英寸的单晶结构和4英寸的多晶结构。同时，由于其丰富优异的物理和化学特性，MoS₂已被证明在诸如晶体管、逻辑装置、光电探测器、气体传感器、催化等方面有很好的应用潜力。通过优化金属接触电极，单层MoS₂的载流子迁移率可以上升到167 cm2V⁻1s⁻1。此外，具有超短长度的MoS₂晶体管也显示出典型的电场调制，其光辐射率可以通过集成铁电材料或形成AA堆叠配置而得到明显增强。当采用MoS₂作为敏感材料时，人们发现在CO、CO₂和NOₓ等气体中的检测极限可以得到改善。然而，到目前为止，这些潜在的应用都是在机械剥离的MoS₂薄片或微米级生长的MoS₂上进行的。因此，晶圆级MoS₂的实际应用仍处于早期阶段，有待广泛深入的持续研究。
图4. MoS₂薄膜在集成电路中的应用: a MoS₂的晶圆级生长及其柔性器件的光学图像; b 基于MoS₂的NOR、NAND、SRAM、AND和五级RO电路以及逆变器和振荡器的性能; c, d MoS₂晶体管衍生的微型LED显示屏的示意图和光学图像; e 在1270-PPI蓝色微型LED显示屏上显示的QR码图像。
作者简介
叶子萌
王泽高
董明东关于我们
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为 23.655，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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