段曦东教授课题组在二维单层镶嵌异质合成研究中取得重要突破

4月18日，我实验室段曦东教授课题组在国际顶级期刊Nature Nanotechnology在线发表题为“Endoepitaxial growth of monolayer mosaic heterostructures”的研究论文，该研究报告了一种激光加工、各向异性热刻蚀联合精准面内外延的通用制造策略，制备了具有原子级锐利界面的单层过渡金属硫族化合物（TMDs）面内镶嵌异质结阵列。文章发表后，北京大学刘开辉教授对该研究论文进行了专题亮点报道评述，并于4月20日在线发表于Nature Nanotechnology上。

五十多年来，传统硅基半导体芯片产业遵循摩尔定律蓬勃发展。随着硅基晶体管栅长度持续微缩和器件结构优化，当前集成电路迎来了亚10纳米节点。为避免遭受严重的短沟道效应，沟道材料特征厚度需减少至1-3纳米,但由于表面悬空键的存在，该厚度下的传统硅基沟道材料与电介质界面处的电荷载流子散射大幅度增加，导致迁移率等性能严重退化。二维（2D）材料具有原子薄的厚度、无悬挂键的表面，在单个或几个原子层厚度下仍表现出优异的电子学特性，可有效免疫短沟道效应。因此，2D材料有可能为1.5纳米节点提供一种可行的解决方案，这一想法已经在最近发布的2020年国际设备与系统路线图(IRDS)中得到了验证。

实现二维材料在新一代集成电路中的应用关键在于制备高质量二维材料单晶和空间组分、电子结构高度可调的二维异质结构。经过十几年的研究，已经成功制备了米级单晶石墨烯、分米级单晶六方氮化硼和晶圆级单晶过渡金属硫族化合物。二维半导体面内异质结阵列是集成具有不同电子和光电特性的二维半导体模块的关键步骤，能够实现丰富的异质构成并用于高密度超薄器件，为未来电子学发展提供全新可能。制备单层半导体异质结阵列的关键在于实现二维材料的原子级精度的加工。然而，传统的光刻和刻蚀工艺容易在二维表面上造成不可控的残留和损伤，难以满足二维材料的加工精度要求，使得面内异质结阵列结构难以实现。因此，发展全新的原子级加工手段实现阵列化面内异质结迫在眉睫。

有鉴于此，段曦东教授（通讯作者）课题组报告了一种激光加工、各向异性热刻蚀联合精准外延的通用制造策略，制备了具有原子级锐利界面的2D过渡金属硫族化合物（TMDs）面内异质结阵列。在传统的光刻和加工工艺中，界面吸附以及污染物残留问题会导致外延过程中不可控的随机成核。通过发展全新的激光加工工艺和各向异性热刻蚀工艺，有力克服了上述难题，获得了原子级清洁的边缘界面，可作为另一种TMDs晶体的优先生长前沿，再利用反向气流外延合成技术，精准控制生长源的释放，实现其在原2D晶体的边缘精准横向成核与外延，可控制备了2D TMDs横向异质阵列。该加工方式展现了高度稳定和可调的原子级加工精度，此外，通过精确控制激光加工位点、热刻蚀加工温度和时间，2D TMDs横向异质阵列的形态与图案可以得到完美控制。系统的微观结构和光谱特征揭示了二维镶嵌异质结构中化学成分、晶格应变和电子带隙的高度精细的周期性调制（图1）。同时，高分辨球差透射电子显微镜证明了镶嵌异质结构中的原子尖锐和清洁的界面。

该研究合成的的镶嵌异质结构显示出对化学成分和晶格应变的系统可调调制，这反过来又可以在原子薄的二维晶体中产生空间调制的电子能带结构和潜在的景观。该研究为2D材料的精密加工提供了全新的思路，单层镶嵌异质结构的强劲增长展示了前所未有的合成控制水平，标志着朝着为基础研究和从二维异质结构开发复杂器件和集成电路建立稳健的材料基础迈出了关键一步。

图1 二维面内异质结阵列的制备方法及表征

我实验室段曦东教授是该工作的通讯作者，中南大学物理与微电子学院特聘教授张正伟（以湖南大学化学化工学院博士生身份参与本工作，现已经入职中南大学）、湖南大学化学化工学院博士研究生黄子为、湖南大学化学化工学院副教授李佳是该工作的第一作者。该工作的主要合作者还包括加州大学洛杉矶分校的段镶锋教授、我实验室刘松教授、中国科技大学林岳研究员。该工作得到了来自国家自然科学基金、湖南省创新群体项目和国家双一流经费等项目的资助。