新技术开辟了在半导体技术中用二维材料替代硅的可能性

随着基于硅的半导体技术接近其性能的极限，非常需要在技术上可以替代或部分替代硅的新材料。最近，石墨烯和其他二维 (2D) 材料的出现为构建下一代半导体技术提供了一个新平台。其中，过渡金属二硫属化物(TMD)，如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2，是最具吸引力的二维半导体。

构建超大规模高性能半导体电路的前提是基础材料必须是晶圆级的单晶，就像今天使用的硅片一样。尽管已经为 TMD 的晶圆级单晶的生长付出了巨大的努力，但迄今为止的成功非常有限。

来自UNIST基础科学研究所(IBS)多维碳材料中心(CMCM)的丁峰教授及其研究团队与北京大学(PKU)、北京理工大学和复旦大学的研究人员合作，最近报道了2英寸单晶WS2单层膜的直接生长。除了WS2 之外，研究团队还展示了单晶MoS2、WSe2和MoSe2的晶圆级生长。

外延生长大单晶的关键技术是保证在衬底上生长的所有小单晶均匀排列。由于 TMD 具有非中心对称结构或 TMD 的镜像相对于其边缘具有相反的排列，因此我们必须通过仔细设计基板来打破这种对称性。根据理论计算，作者提出了“的机制双重耦合引导epitaxŸ增长”的实验设计。WS2 -蓝宝石平面相互作用作为第一驱动力，导致WS2岛的两个优选的反平行取向。WS2之间的耦合蓝宝石台阶边缘是第二驱动力，它将打破两个反平行方向的简并性。然后所有在具有台阶边缘的衬底上生长的 TMD 单晶都是单向排列的，最后，这些小单晶的聚结形成与衬底尺寸相同的大单晶。

“这种新的双耦合外延生长机制对于可控材料生长来说是新的。原则上，如果找到合适的衬底，它使我们能够实现将所有二维材料生长成大面积单晶。”该研究的共同第一作者 Ting Cheng 博士说。“我们已经从理论上考虑了如何选择合适的基材。首先，基板应该具有低对称性，其次，更多的台阶边缘是优选的。”该研究的通讯作者冯丁教授强调说。

“这是基于二维材料的设备领域向前迈出的重要一步。随着晶圆级单晶二维 TMD 在过渡金属衬底上超越石墨烯和 hBN 的绝缘体上的成功生长，我们的研究为电子和光学设备高端应用中的二维半导体提供了所需的基石，”冯丁教授解释说。

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