南京大学Adv. Mater.: 用于高性能电子器件的高度定向单层WS2

【研究背景】

二维半导体过渡金属硫族化合物（TMDCs）因其原子级厚度、无悬挂键表面以及高载流子迁移率等特性，在突破硅基摩尔定律方面展现出重要潜力。TMDC单层通常表现出比硅更大的带隙值。而研究表明，使用宽带隙半导体沟道材料（如GaN、SiC和金刚石）可以降低静态漏电流、提高击穿场强，并改善电子电路的偏压耐受性，这得益于其高界面能垒和低量子隧穿率（即优异的绝缘特性）。这些优势对于构建低功耗和长期稳定的电路至关重要。在典型的TMDC单层中，二硫化钨（WS₂）表现出最高的电子带隙（2.3 eV），使其成为开发低功耗和高可靠性电子器件的优异宽带隙沟道材料。此外，WS₂是最稳定的二维半导体之一，具有较高的氧化反应势垒和环境稳定性，这使其更适合制造工艺。

尽管高度定向的MoS₂晶圆在电子性能指标（如载流子迁移率μ和电流密度）方面取得了快速进展，但关于同时具备高晶体取向和电子性能（即晶体质量、载流子迁移率和载流能力）的高质量WS₂单层晶圆的合成报道仍然较少。除晶体质量外，WS₂与电极之间的接触质量也是一个技术挑战，这是由于存在较大的注入势垒和费米能级钉扎效应。目前报道的单层WS₂ FETs最高电流密度为520 µA µm⁻¹（在1.5 V偏压下）。迄今为止，实现晶体和电子性能协同优化且能与硅相媲美或超越的晶圆级WS₂仍然具有挑战性。    

【成果介绍】

鉴于此，南京大学的黎松林教授，郝玉峰教授，邓昱教授团队合作发表了题为“Highly Oriented WS₂ Monolayers for High-Performance Electronics”的文章在Advanced Materials期刊上。该工作报道了通过化学气相沉积（CVD）在台阶切向蓝宝石（α-Al₂O₃）衬底上外延生长晶圆级高度定向WS₂单层。结构和光谱表征显示，所生长的单层具有高度晶体取向，表现出较低的缺陷密度（8 × 10¹² cm⁻²）和晶圆级均匀性。电学测量表明，在SiO₂/Si衬底上室温和8 K下的平均场效应迁移率分别为62和180 cm²V⁻¹s⁻¹。在六方氮化硼（hBN）衬底上，这些迁移率进一步提高到94和473 cm²V⁻¹s⁻¹。通过引入半金属锑（Sb）作为接触电极，实现了低至600 Ω·µm的接触电阻率，并在超短沟道长度（10 nm）下获得了创纪录的饱和电流密度675 µA µm⁻¹（在0.8 V偏压下），这与最先进的硅基器件相当。本工作为使用宽带隙WS₂单层开发未来低功耗电子器件提供了新的见解。

【图文导读】‍‍‍‍

图 1. WS₂在C/A 1°蓝宝石（0001）衬底上的单向生长对齐。a) 蓝宝石晶体中C/A 1°切向面的示意图。b) 退火后C/A 1°表面的AFM形貌图。c) 切向衬底表面台阶及其上生长方向对齐的WS₂晶畴示意图。d) 切向衬底上对齐良好的WS₂晶畴的光学图像。e) 晶畴与裸衬底之间的AFM相位对比图。f) 单向对齐WS₂晶畴的光致发光（PL）图谱。g) (e)中两个晶畴的二次谐波极坐标图。h) 高度定向WS₂单层的PL光谱。插图：拉曼光谱。         

图 2. 蓝宝石晶圆上高度定向WS₂单层的表征。a) 2英寸蓝宝石（0001）衬底上高度定向WS₂薄膜的照片。b) PL和c) 拉曼线扫描。d) WS₂薄膜的PL峰值能量（红色）和拉曼峰位差的统计图。e) 拉曼E_2g¹峰强度图谱和f) A_1g强度图谱（取自插图区域）。g) 取自（e）插图的PL峰值强度图谱。h) WS₂薄膜的原子分辨HAADF-STEM图像。i) 包含硫空位（黄色虚线圆圈）的典型HAADF-STEM图像。比较j) CVD生长和k) 机械剥离（ME）的WS₂单层原子空位的统计密度。

图 3. 高度定向单层WS₂的电子性能。a) 上图：0.25 cm²面积上的FET阵列照片。b) 沟道长度与载流子迁移率的关系。c) 使用TLM方法从（a）中器件提取的接触电阻R_c. d) 制备的WS₂/hBN/SiO₂/Si FET的光学图像。e) 不同温度下，由hBN和SiO₂衬底支撑的CVD和剥离WS₂的迁移率比较。f) 各种制备方法（包括ME、CVD和MOCVD）报道的WS₂单层FETs平均迁移率的比较。         

图 4. WS₂单层短沟道FETs的电学性能。a) 埋栅WS₂ FET的示意图。b) 沟道长度为100 nm的FETs在V_ds = 0.1 V时的转移特性曲线。c) 导通电流随温度的变化关系。d) 实际沟道长度L_ch从10到50 nm的短沟道FETs的SEM图像。e) 10 nm短沟道WS₂ FET的输出特性。f) V_ds = 1 V时WS₂单层FETs的I_on基准比较。

【总结展望】

总之，本工作通过在C/A面蓝宝石衬底周期性台阶边缘上的模板生长策略，成功制备了高度定向的晶圆级WS₂单层。晶体学、显微和光谱表征一致表明，WS₂单层在整个晶圆范围内表现出优异的均匀性。详细的电学测量表明其具有优异的载流子迁移率和低接触电阻。更重要的是，在超短沟道长度（10 nm）的场效应晶体管中观察到创纪录的饱和电流密度675 µA/µm（V_ds = 0.8 V）。本工作为WS₂单层在高性能纳米电子器件中的产业化应用提供了重要参考。

【文献信息】

上海昂维科技有限公司现提供二维材料单晶和薄膜等耗材，器件和光刻掩膜版定制等微纳加工服务，以及各种测试分析，欢迎各位老师和同学咨询，竭诚做好每一份服务。