第一作者：徐曉龍
通訊作者：葉堉
通訊作者單位：北京大學
MoS2、黑磷等二維van der Waals半導體材料有望在晶硅技術中得以應用，這是因為此類材料具有原子層厚度，優異的物理學性質、能夠兼容傳統的CMOS技術等優勢。將二維van der Waals半導體材料集成到Si半導體電子學中，非常關鍵的一點在于合成體積較大、均一高晶化度的薄膜。目前人們期望在絕緣基底上生長晶圓大小的單晶二維半導體薄膜，但是這種技術仍難以實現。
有鑒于此，北京大學葉堉等報道了在無定形絕緣基底Si/SiO2上合成晶圓大小的單晶2H MoTe半導體，具體通過面內二維外延生長方法，以單晶Te作為晶種進行生長，能夠很好的均勻覆蓋2.5 cm2的晶圓。此外，將2H MoTe2單晶薄膜作為模板，能夠進一步在其基礎上快速的以垂直方式進行外延生長。在這種2H MoTe2單晶上構建的晶體管陣列展示了優異的電氣性能、非常好的均一性，器件成品率達到100 %。
合成方法
圖1. 合成方法示意圖
首先在Si/SiO2晶圓上沉積3 nm厚Mo薄膜，隨后與Te蒸氣反應合成~10 nm厚多晶1T′ MoTe2薄膜，但是該1T′ MoTe2薄膜中含有Te缺陷，晶疇達到數十納米。隨后，從單晶塊體2H MoTe2中剝離單晶納米片，隨后轉移到1T′ MoTe2晶圓的中心作為晶種生長單晶MoTe2。
隨后，再通過原子層沉積方法將30 nm厚的致密Al2O3修飾在界面上，實現了生長過程中將Te、1T′ MoTe2之間產生物理分離，有效的抑制了生長過程中MoTe2的隨機晶體取向。為了向MoTe2生長過程提供Te元素，在單晶MoTe2種子中引入孔洞作為提供Te原料的唯一通道。
表征
圖2. 晶圓上MoTe2單晶薄膜表征
通過球差STEM對晶種附近的晶化程度進行表征，結果顯示晶體結構、晶體取向、堆疊順序與晶種的方向一致。在HADDF表征中發現產生六方晶格，同時未發現任何moiré圖案。通過橫截面STEM表征發現晶種的Te、Mo原子在生長過程中發生重排和重結晶。MoTe2呈現了完美的AB堆疊排列，晶種區域與其外部區域的晶體取向一致。
通過電子背散射衍射EBSD表征進一步分析晶圓大小薄膜的晶化情況，驗證了整體晶圓呈現了較好的晶化一致性，在整個晶圓上的MoTe2都呈現2H晶相。
器件
圖3. 不同模式中激子分布圖
構建了1T′/2H/1T′ MoTe2場效應晶體管FET器件，發現晶圓級單晶上構建的FET器件的室溫性能達到場效應遷移率~45 cm2 V-1 s-1，開關比達到~1.5×104。這個結果和以往報道的單晶FET器件性能類似。構建了10個FET器件陣列，性能得到很好的保持，未見明顯衰減或偏差。
參考文獻及原文鏈接
參考文獻
Xiaolong Xu, Yu Pan, Shuai Liu, Bo Han, Pingfan Gu, Siheng Li, Wanjin Xu, Yuxuan Peng, Zheng Han, Ji Chen, Peng Gao, Yu Ye*, Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe2, Science 2021, 372, 195-200
DOI: 10.1126/science.abf5825
https://science.sciencemag.org/content/372/6538/175
