新技术助力二维过渡金属硫族化学物“布阵”

半导体外延异质结是现代电子学和光电子学的基础。记者5月7日从湖南大学获悉，该校段曦东教授课题组报告了一种激光加工联合精准外延的系统性制造策略，制备了二维（2D）过渡金属硫族化学物（TMDs）横向异质结阵列。该研究是关于合成二维面内异质结阵列的首次公开报道，突破了二维面内异质集成的瓶颈，有望推动二维集成电路的发展。

近日，上述成果发表在《自然—纳米技术》（Nature Nanotechnology）上，段曦东为通讯作者。

2D-TMDs由于其超薄的晶体结构、优异的电子学特性、表面无悬挂键且易于集成，成为下一代半导体的重要候选材料。它的种类很多，在异质结构建中具有高度的灵活性，能够实现丰富的异质结，为未来电子学发展提供全新可能。

然而，目前2D-TMDs材料的面内异质结阵列结构难以实现，而这是应用到器件并实现集成化电路的材料基础。其原因在于2D-TMDs原子晶体图案化加工与当前的传统工艺不兼容，传统工艺难以实现原子级洁净界面，使得原子级面内外延难以实现；同时高精准外延控制一直是2D-MDs高效合成的瓶颈。因此，发展全新图案加工手段并实现系统的新外延策略对制备阵列化面内异质结非常重要。

段曦东教授课题组通过发展二维原子晶体图案激光加工技术，有力避免了传统光刻和等离子刻蚀加工工艺中的界面吸附问题、有机物残留问题。该策略展现了高度稳定性和阵列图案、大小等结构参数的可调性。

具体而言，TMDs材料在经使用传统方式的图案化加工步骤后，会在界面处出现杂质基团吸附等污染；采用氧等离子等传统刻蚀技术，也难以实现原子级精度的材料边缘，这对原子级的外延生长是极为不利的。为了消除传统技术的不利影响，研究人员通过发展全新的激光加工技术与热刻蚀技术，实现了二维原子晶体图案化，并且图案边缘待外延界面实现了原子级洁净。研究人员结合课题组早先发展起来的双向气流外延合成等技术，从空间和时间上控制化学气相沉积炉中的气氛场和温度场，实现另一种TMDs材料在原二维原子晶体的高度清洁的边缘精准横向成核与外延，形成2D-TMD横向异质结阵列。通过精确控制激光加工位点、热刻蚀温度和时间，2D TMDs横向异质阵列的形态与组合图案可以得到完美控制。

研究者们还通过高分辨球差透射电子显微镜展示异质结阵列具有高清的原子级尖锐的异质界面；利用光致发光光谱展示了异质结阵列受晶格失配和阵列几何图案控制的位于异质结界线附近的应力调制。

据介绍，该研究为2D -MDs横向异质阵列制造方法提供了全新的思路，并为原子级薄的复杂二维异质结构、超薄器件与二维集成电子电路提供了一个崭新的材料研究平台；为研究异质结构性能、调控和其它各种应用打下了坚实的 基础。《自然-纳米技术》专门在news&views栏目撰文报道该成果，并作出“这项研究为二维材料的精密制造提供了全新途径，并将推进二维材料在集成电路中的应用”的评价。

“该研究中的精确控制合成令人印象深刻，该课题有可能是二维材料领域的一个非常重要的进展。”该论文的审稿人表示，“研究中洁净边缘的精确制造令人印象深刻，这是精确结构设计成功的关键。该技术将有可能用于未来纳米电子学的工艺制造。”