二維半導(dǎo)體薄膜在任意表面的異質(zhì)外延技術(shù)
上海超級(jí)計(jì)算中心用戶(hù)北京大學(xué)陳基研究員與合作者提出了一種在不同晶體對(duì)稱(chēng)性、不同晶格常數(shù)和三維架構(gòu)基底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體2H-MoTe2薄膜的通用合成技術(shù),克服了襯底對(duì)異質(zhì)外延的限制。2022年8月15日,相關(guān)研究成果以“用于大規(guī)模異質(zhì)集成的任意表面上半導(dǎo)體2H-MoTe2薄膜的異質(zhì)外延”(Heteroepitaxy of semiconducting 2H-MoTe2 thin films on arbitrary arbitrary surfaces for large-scale heterogeneous integration)為題,在線發(fā)表于《自然?合成》(Nature synthesis)。
半導(dǎo)體行業(yè)依賴(lài)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)保持器件小型化和成本降低的步伐。同時(shí),信息的高速傳輸和處理需要將電子和光子器件集成在同一芯片上。因此,未來(lái)發(fā)展將同時(shí)采用平面和三維 (3D) 復(fù)合架構(gòu)。在材料集成的不同策略中,外延生長(zhǎng)是制造具有高質(zhì)量界面的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效途徑。然而,在具有大晶格失配的任意材料(更不用說(shuō)3D架構(gòu))上異質(zhì)外延傳統(tǒng)3D 晶體薄膜且不產(chǎn)生具有高密度缺陷的界面是極具挑戰(zhàn)性的,因此需要新技術(shù)來(lái)打破晶格失配和結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)對(duì)單晶半導(dǎo)體生長(zhǎng)的限制。
最近,將二維(2D)半導(dǎo)體與傳統(tǒng)電子和光子學(xué)器件無(wú)縫集成引起了人們的極大興趣,這為硅基芯片帶來(lái)了新的應(yīng)用。二維半導(dǎo)體表現(xiàn)出高的機(jī)械穩(wěn)定性以及獨(dú)特的電子和光電特性,非常適合異質(zhì)光電集成。實(shí)現(xiàn)高密度集成,光互連結(jié)構(gòu)需要盡可能靠近電子器件。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),首先需要開(kāi)發(fā)一種在任意結(jié)構(gòu)上直接合成單晶二維半導(dǎo)體的異質(zhì)外延方法,包括在高度晶格不匹配的基底和非平面的3D架構(gòu)上。因此,必須開(kāi)發(fā)一種新的可以解除襯底限制的合成范式,即不同于傳統(tǒng)的垂直外延工藝(如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)等)。
科研團(tuán)隊(duì)在前期二維碲化鉬(MoTe2)相變與可控制備的基礎(chǔ)上(J. Am. Chem. Soc. 141, 2128-2134, 2019; Science 372, 195-200, 2021)進(jìn)一步提出了一種不受支撐基底限制的平面內(nèi)二維橫向外延技術(shù),將單晶2H-MoTe2半導(dǎo)體薄膜與高度晶格失配的平面晶體或任意形貌的3D架構(gòu)異質(zhì)集成(圖1),從而發(fā)展前所未有的集成技術(shù)與器件功能。
研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目以及上海超級(jí)計(jì)算中心、北京大學(xué)長(zhǎng)三角光電科學(xué)研究院等機(jī)構(gòu)的支持。
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