高级搜索

衬底修饰层诱导的高覆盖率单层MoS2晶圆生长研究

,  ,  ,  ,  ,  , 

downloadPDF

上一篇

下一篇

左浩松, 刘一禾, 陈匡磊, 胥如峰, 张铮, 张先坤, 张跃. 衬底修饰层诱导的高覆盖率单层MoS2晶圆生长研究[J]. 真空科学与技术学报, 2025, 45(8): 628-634. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202506007
引用本文: 左浩松, 刘一禾, 陈匡磊, 胥如峰, 张铮, 张先坤, 张跃. 衬底修饰层诱导的高覆盖率单层MoS2晶圆生长研究[J]. 真空科学与技术学报, 2025, 45(8): 628-634. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202506007
shu
Haosong ZUO, Yihe LIU, Kuanglei CHEN, Rufeng XU, Zheng ZHANG, Xiankun ZHANG, Yue ZHANG. Mediated Wafer-Scale Growth of Full-Coverage Monolayer MoS2[J]. zkkxyjsxb, 2025, 45(8): 628-634. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202506007
Citation: Haosong ZUO, Yihe LIU, Kuanglei CHEN, Rufeng XU, Zheng ZHANG, Xiankun ZHANG, Yue ZHANG. Mediated Wafer-Scale Growth of Full-Coverage Monolayer MoS2[J]. zkkxyjsxb, 2025, 45(8): 628-634. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202506007
shu

衬底修饰层诱导的高覆盖率单层MoS2晶圆生长研究

  • 1.

    北京科技大学 前沿交叉科学技术研究院 北京 100083

  • 2.

    后摩尔时代芯片关键新材料与器件教育部重点实验室 北京 100083

  • 3.

    新能源材料与技术北京市重点实验室 北京 100083

  • 4.

    新金属材料全国重点实验室 北京 100083

  • 5.

    北京科技大学未来芯片关键材料与技术集成创新中心 北京 100083

    • 通讯作者: E-mail: zhangzheng@ustb.edu.cn;  zhangxiankun@ustb.edu.cn;  yuezhang@ustb.edu.cn；a同等贡献

  • 中图分类号: TN3

Mediated Wafer-Scale Growth of Full-Coverage Monolayer MoS2

  • 1.

    Academy for Advanced Interdisciplinary Science and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

  • 2.

    Key Laboratory Critical New Materials and Devices for Chips PostMoore Era Ministry of Education, Beijing 100083, China

  • 3.

    Beijing Key Laboratory of New Energy Materials and Technologies, Beijing 100083, China

  • 4.

    State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, Beijing 100083, China

  • 5.

    Beijing University of Science and Technology Integrated Innovation Center for Critical Future Chip Materials and Technologies, Beijing 100083, China

    • Corresponding authors: Zheng ZHANG, zhangzheng@ustb.edu.cn ;  Xiankun ZHANG, zhangxiankun@ustb.edu.cn ;  Yue ZHANG, yuezhang@ustb.edu.cn

  • MSC: TN3

  • 摘要: 作为后摩尔时代集成电路发展的关键候选材料之一，二维二硫化钼（MoS2）晶圆级高质量制备是其产业化应用的重要基础。当前基于蓝宝石衬底的化学气相沉积（CVD）法虽可实现大尺寸MoS2薄膜生长，但受限于气相MoO3在蓝宝石Al-O界面上吸附能力较弱导致的钼源不均匀沉积，造成了薄膜翘曲和裂纹缺陷等问题。研究提出了一种蓝宝石衬底表面预制备Al-O-Mo-O化学键合修饰层的生长策略，成功生长出均匀连续、高覆盖率的2英寸单层MoS2晶圆。该方法通过在预退火沉积的过程中，提供稳定的氧气氛围，有效减弱了蓝宝石表面悬挂键，同时在蓝宝石衬底表面构筑了Al-O-Mo-O修饰层，为气相MoO3沉积提供稳固的锚定位点，增强了MoO3反应源在界面上的吸附作用，促进了气相钼源在衬底上的均匀吸附沉积和均匀硫化，最终获得高覆盖率单层MoS2薄膜。基于此薄膜构建的顶栅晶体管阵列性能展现出优异的一致性，最高开关比达107，最大开态电流达10−5 A，器件良率超过96%。研究提出的衬底修饰方法为蓝宝石基高质量MoS2薄膜的可控制备提供了新方案，优化了现有制备工艺体系，对推动二维材料在集成电路中的应用具有积极意义。
    Abstract: As a key candidate material for integrated circuits in the post-Moore era, wafer-scale high-quality preparation of two-dimensional molybdenum disulfide (MoS2) is fundamental for its industrial application. While chemical vapor deposition (CVD) on sapphire substrates enables large-area MoS2 film growth, it is constrained by non-uniform molybdenum source deposition resulting from weak adsorption of gaseous MoO3 at the Al-O interface, leading to film wrinkling and crack defects. This study proposes a growth strategy employing an Al-O-Mo-O chemical bonding modification layer on the substrate surface, successfully fabricating a uniform, continuous, and high-coverage 2-inch wafer-scale monolayer MoS2 film. By maintaining a stable oxygen atmosphere during the pre-annealing deposition step, this method simultaneously eliminates dangling bonds on the sapphire surface and constructs an Al-O-Mo-O modification layer. This layer provides stable anchoring sites for gaseous MoO3 deposition, enhancing its adsorption at the interface and promoting uniform adsorption, deposition, and sulfurization of the molybdenum precursor across the substrate. Consequently, a high-coverage monolayer MoS2 film is achieved. Top-gated transistor arrays fabricated from this film exhibit excellent performance uniformity, with a maximum on/off ratio of 107, a maximum on-state current of 10−5 A, and a device yield exceeding 96%. The substrate modification method presented in this work provides a novel approach for the controllable preparation of high-quality MoS2 films on sapphire, optimizes existing fabrication processes, and holds significant promise for advancing the application of two-dimensional materials in integrated circuits.
  • 加载中

  • 图 1  蓝宝石衬底退火处理。 （a）三温区管式炉退火处理示意图，（b）退火后蓝宝石衬底表面AFM扫描图像

    Figure 1.  Annealing treatment of sapphire substrate. (a) Schematic diagram of annealing treatment in a three-zone tube furnace, (b) representative AFM scan of post-annealed sapphire surface

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 2  退火蓝宝石衬底上2 inch单层MoS2薄膜制备与表征。 （a）蓝宝石衬底退火后制备的2英寸单层MoS2薄膜宏观示意图，（b）蓝宝石表面退火后制备的2英寸单层MoS2薄膜光学显微镜图，（c）蓝宝石表面退火后制备的2英寸单层MoS2薄膜SEM图

    Figure 2.  Synthesis and characterization of 2-inch monolayer MoS2 films on annealed sapphire substrates. (a) Macroscopic schematic diagram of 2-inch monolayer MoS2 thin films prepared on annealed sapphire substrates, (b) optical microscope image of 2-inch monolayer MoS2 thin films prepared on annealed sapphire surfaces, (c) scanning Electron Microscope image of 2-inch monolayer MoS2 thin films prepared on annealed sapphire surfaces

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 3  蓝宝石衬底预处理示意图

    Figure 3.  Schematic illustration of sapphire substrate pretreatment

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 4  衬底修饰层诱导生长法制备的2 inch单层MoS2薄膜及其表征。 （a）衬底修饰层诱导生长法制备的2 inch单层MoS2薄膜宏观示意图，（b）衬底修饰层诱导生长法制备的2 inch单层MoS2薄膜光学显微镜图，（c）衬底修饰层诱导生长法制备的2 inch单层MoS2薄膜SEM图，（d）MoS2薄膜拉曼光谱图，（e）衬底修饰层诱导生长法制备的2 inch单层MoS2薄膜PL mapping图

    Figure 4.  2-inch monolayer MoS2 films via substrate-modification-induced strategy and characterization. (a) Macroscopic schematic diagram of 2-inch monolayer MoS2 thin films prepared by substrate modification layer-induced growth method, (b) optical microscope image of 2-inch monolayer MoS2 thin films prepared by substrate modification layer-induced growth method, (c) scanning Electron Microscope image of 2-inch monolayer MoS2 thin films prepared by substrate modification layer-induced growth method, (d) Raman spectrum of MoS2 thin films, (e) Photoluminescence mapping image of 2-inch monolayer MoS2 thin films prepared by substrate modification layer-induced growth method

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 5  蓝宝石衬底预处理诱导界面结构演变的表征与机理。 （a）预处理前后蓝宝石衬底表面Al2p轨道XPS分析谱线，（b）预处理后表面沉积层Mo3d轨道XPS分析谱线，（c）预处理后表面沉积层O1s轨道XPS分析谱线，（d）预处理后蓝宝石衬底表面AFM扫描图像，（e）处理后蓝宝石表面Al化学环境变化的原子结构示意图

    Figure 5.  Characterization and mechanism of interface structure evolution enabled by sapphire substrate pretreatment. (a) XPS analysis spectra of Al2p orbitals on sapphire substrate surfaces pre- and post-pretreatment, (b) XPS analysis spectra of Mo3d orbitals in surface-deposited layers post-pretreatment, (c) XPS analysis spectra of O1s orbitals in surface-deposited layers post-pretreatment, (d) AFM scanning image of sapphire substrate surface post-pretreatment, (e) Atomic structural schematic diagram illustrating chemical environment variations of Al on post-treated sapphire surfaces

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 6  MoS2顶栅晶体管阵列电学性能表征。 （a）单个MoS2顶栅晶体管结构光学显微镜图，（b）单个顶栅晶体管转移特性曲线，（c）MoS2顶栅晶体管阵列光学显微镜图，（d）MoS2顶栅晶体管阵列转移特性曲线

    Figure 6.  Electrical performance characterization of MoS2 top-gated transistor arrays. (a) Optical microscope image of individual MoS2 top-gate transistor structure, (b) transfer characteristics curve of individual top-gate transistor, (c) optical microscope image of MoS2 top-gate transistor array, (d) transfer characteristics curves of MoS2 top-gate transistor array

    下载: 全尺寸图片 幻灯片
  • [1] Jiang H, Zhang X K, Chen K L, et al. Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS2[J]. Nature Materials, 2025, 24(2): 188−196 doi: 10.1038/s41563-024-02069-7
    [2] Gao L, Chen Z Y, Chen C, et al. Silicon-processes-compatible contact engineering for two-dimensional materials integrated circuits[J]. Nano Research, 2023, 16(11): 12471−12490 doi: 10.1007/s12274-023-6167-z
    [3] Liu A H, Zhang X W, Liu Z Y, et al. The roadmap of 2D materials and devices toward chips[J]. Nano-Micro Letters, 2024, 16(1): 119 doi: 10.1007/s40820-023-01273-5
    [4] Wang S Y, Liu X X, Xu M S, et al. Two-dimensional devices and integration towards the silicon lines[J]. Nature Materials, 2022, 21(11): 1225−1239 doi: 10.1038/s41563-022-01383-2
    [5] Liu Y H, Jiang H, Gao L, et al. Low carbon residue growth of wafer-scale MoS2[J]. Small, 2025, 21(19): 2500980 doi: 10.1002/smll.202500980
    [6] Yu L X, Mi M J, Wang S L, et al. High carrier mobility in organic cations intercalated multilayer MoS2[J]. Applied Physics Letters, 2024, 124(12): 122108 doi: 10.1063/5.0197944
    [7] Li R S, Hong M Y, Shangguan W, et al. Controlled lattice deformation for high-mobility two-dimensional MoTe2 growth[J]. Journal of Materiomics, 2025, 11(2): 100868 doi: 10.1016/j.jmat.2024.03.013
    [8] Zhang X K, Zhao H, Wei X F, et al. Two-dimensional transition metal dichalcogenides for post-silicon electronics[J]. National Science Open, 2023, 2(4): 20230015
    [9] Ji Q Q, Kan M, Zhang Y, et al. Unravelling orientation distribution and merging behavior of monolayer MoS2 domains on sapphire[J]. Nano Letters, 2015, 15(1): 198−205 doi: 10.1021/nl503373x
    [10] Jin N, Yang Y Q, Luo X, et al. Development of CVD Ti-containing films[J]. Progress in Materials Science, 2013, 58(8): 1490−1533 doi: 10.1016/j.pmatsci.2013.07.001
    [11] Jung C, Kim S M, Moon H, et al. Highly crystalline CVD-grown multilayer MoSe2 thin film transistor for fast photodetector[J]. Scientific Reports, 2015, 5: 15313 doi: 10.1038/srep15313
    [12] Li L, Wang Q Q, Wu F F, et al. Epitaxy of wafer-scale single-crystal MoS2 monolayer via buffer layer control[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 1825 doi: 10.1038/s41467-024-46170-6
    [13] Pondick J V, Woods J M, Xing J, et al. Stepwise sulfurization from MoO3 to MoS2 via chemical vapor deposition[J]. ACS Applied Nano Materials, 2018, 1(10): 5655−5661 doi: 10.1021/acsanm.8b01266
    [14] Španková M, Sojková M, Dobročka E, et al. Influence of precursor thin-film quality on the structural properties of large-area MoS2 films grown by sulfurization of MoO3 on c-sapphire[J]. Applied Surface Science, 2021, 540: 148240 doi: 10.1016/j.apsusc.2020.148240
    [15] Yang P F, Zhang Z P, Sun M X, et al. Thickness tunable wedding-cake-like MoS2 flakes for high-performance optoelectronics[J]. ACS Nano, 2019, 13(3): 3649−3658 doi: 10.1021/acsnano.9b00277
    [16] Shrestha S, Sarkar C K, Chakraborty A. Low-field electrical and thermal transport in lattice-mismatched n-GaN grown on sapphire: two-layer model calculations[J]. Journal of Applied Physics, 2006, 100(1): 013705 doi: 10.1063/1.2207568
    [17] Cuccureddu F, Murphy S, Shvets I V, et al. Surface morphology of c-plane sapphire (α-alumina) produced by high temperature anneal[J]. Surface Science, 2010, 604(15-16): 1294−1299 doi: 10.1016/j.susc.2010.04.017
    [18] Xia Y, Chen X Y, Wei J C, et al. 12-inch growth of uniform MoS2 monolayer for integrated circuit manufacture[J]. Nature Materials, 2023, 22(11): 1324−1331 doi: 10.1038/s41563-023-01671-5
  • 加载中
图( 6)
计量
  • 文章访问数:  67
  • HTML全文浏览数:  67
  • PDF下载数:  2
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2025-06-24
  • 刊出日期:  2025-08-31

衬底修饰层诱导的高覆盖率单层MoS2晶圆生长研究

    通讯作者: E-mail: zhangzheng@ustb.edu.cn; 
    通讯作者: zhangxiankun@ustb.edu.cn; 
    通讯作者: yuezhang@ustb.edu.cn；a同等贡献
  • 1. 北京科技大学 前沿交叉科学技术研究院 北京 100083
  • 2. 后摩尔时代芯片关键新材料与器件教育部重点实验室 北京 100083
  • 3. 新能源材料与技术北京市重点实验室 北京 100083
  • 4. 新金属材料全国重点实验室 北京 100083
  • 5. 北京科技大学未来芯片关键材料与技术集成创新中心 北京 100083
  • 收稿日期:  2025-06-24

摘要: 作为后摩尔时代集成电路发展的关键候选材料之一，二维二硫化钼（MoS2）晶圆级高质量制备是其产业化应用的重要基础。当前基于蓝宝石衬底的化学气相沉积（CVD）法虽可实现大尺寸MoS2薄膜生长，但受限于气相MoO3在蓝宝石Al-O界面上吸附能力较弱导致的钼源不均匀沉积，造成了薄膜翘曲和裂纹缺陷等问题。研究提出了一种蓝宝石衬底表面预制备Al-O-Mo-O化学键合修饰层的生长策略，成功生长出均匀连续、高覆盖率的2英寸单层MoS2晶圆。该方法通过在预退火沉积的过程中，提供稳定的氧气氛围，有效减弱了蓝宝石表面悬挂键，同时在蓝宝石衬底表面构筑了Al-O-Mo-O修饰层，为气相MoO3沉积提供稳固的锚定位点，增强了MoO3反应源在界面上的吸附作用，促进了气相钼源在衬底上的均匀吸附沉积和均匀硫化，最终获得高覆盖率单层MoS2薄膜。基于此薄膜构建的顶栅晶体管阵列性能展现出优异的一致性，最高开关比达107，最大开态电流达10−5 A，器件良率超过96%。研究提出的衬底修饰方法为蓝宝石基高质量MoS2薄膜的可控制备提供了新方案，优化了现有制备工艺体系，对推动二维材料在集成电路中的应用具有积极意义。

English Abstract

    全文HTML

  • 在后摩尔时代，传统硅基集成电路的微缩化使其沟道尺寸逐渐逼近物理极限，二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）因其原子级厚度、优异的电学性能和可调制的带隙特性，成为下一代半导体器件的关键候选材料[1-3]。其中，二硫化钼（MoS2）因其高载流子迁移率（~200 cm2V−1s−1）、显著的开关比（>10）以及良好的环境稳定性，在逻辑晶体管、光电探测器及柔性电子器件中展现出巨大的应用潜力[4-6]。然而，要实现MoS2的大规模集成电路应用，首先需要实现大尺寸、高质量单层MoS2晶圆的可控制备。目前，化学气相沉积（CVD）是制备晶圆级MoS2的主流方法，其中蓝宝石（α-Al2O3）因其高温稳定性和原子级平整表面被广泛用作生长衬底[7-10]。然而，蓝宝石上MoS2晶圆制备仍存在一些问题，首先受限于界面弱相互作用，MoO3反应源在蓝宝石表面的扩散与吸附难以被调控，其空间分布均匀性难以保证，导致制备的薄膜发生厚度波动和局部区域未覆盖[11-14]。其次，蓝宝石衬底存在界面应力与缺陷，蓝宝石与MoS2的晶格失配（~30%）和热膨胀系数差异，易引发薄膜产生翘曲、裂纹或多晶畴区[15]。

    针对上述挑战，本文提出了一种衬底修饰层诱导生长MoS2薄膜的方法，通过CVD退火工艺在蓝宝石表面形成一层Al-O-Mo-O化学键合界面作为衬底修饰层，进而优化MoS2的成核与生长动力学过程。不同于传统CVD生长中蓝宝石的Al-O界面，该方法通过界面退火处理抑制了蓝宝石表面的悬挂键作用，同时通过维持气相MoO3与蓝宝石表面反应时的O2分压形成Al-O-Mo-O化学键合界面，为气相MoO3沉积提供稳固的锚定位点，增强气相MoO3与表面的吸附作用，从而实现无孔洞、低应力、高覆盖率的单层MoS2晶圆生长。生长的MoS2薄膜无需复杂转移步骤，可直接用于器件集成。基于此方法，作者成功制备了2英寸均匀连续覆盖单层MoS2薄膜，并构建了高性能顶栅晶体管阵列器件，其开关比最高达107，开态电流最高达10−5 A，器件良率96%。这一方法为蓝宝石衬底上高质量MoS2的生长提供了新思路，有望推动二维半导体在后摩尔时代集成电路中的应用。

    • 1.   实验及讨论

      1.1.   蓝宝石衬底表面退火处理

    • 将C面（0001）蓝宝石衬底经超声清洗后置于第三温区石英舟内，在三温区管式炉（图1（a））中进行退火。在氩气（10 sccm）与氧气（20 sccm）混合气氛中，于900℃高温退火处理1 h，此过程可有效消除衬底表面缺陷并形成利于外延生长的原子台阶结构[16]。退火后的蓝宝石表面台阶形貌可以通过原子力显微镜（AFM）扫描观察到（图1（b）），从图中可以看到，退火后的蓝宝石表面台阶分布较为均匀，MoO3前驱体倾向于吸附在台阶边缘（高能位点），退火后均匀的台阶分布可引导MoS2晶畴定向排列，有利于定向成核降低晶畴取向混乱，从而使得晶界密度下降。

      • 1.2.   蓝宝石衬底上制备MoS2薄膜

    • 首先在退火后的2英寸蓝宝石衬底上制备MoS2薄膜。在管式炉第一温区放置1 g硫粉，通入135 sccm氩气，加热至120℃。第二温区放置24 mg MoO3，通入氩氧混合气（Ar:O2=100:1 sccm），加热至560℃。将衬底放置第三温区并升温至900℃，三个温区在同一时间点升到设定温度，管内压力维持在0.165 Torr，生长22.5 min后得到了厘米级的单层MoS2薄膜（图2（a））。光学显微镜图像（图2（b））显示在此衬底上生长的MoS2薄膜展现出宏观连续性，但在薄膜边缘区域存在一些肉眼可见的局域不连续。通过扫描电子显微镜（SEM）表面分析（图2（c））发现，在薄膜宏观连续的区域也能观察到一些表面孔洞，这些孔洞破坏了薄膜的生长均一性。这些孔洞的出现主要由两方面因素导致，退火后残余的亚稳态台阶结构在<5%区域台阶间距偏差>50 nm，导致局部迁移势垒产生差异[17-18]。另一方面在CVD生长过程中，硫蒸汽在沿气流方向上浓度逐渐降低，硫源供应不足，反应速率受限于硫的吸附和扩散，成核密度降低，晶畴生长缓慢，出现未连续区域。

      • 1.3.   衬底修饰层诱导生长MoS2薄膜

    • 为了得到均匀连续薄膜，本文采用了衬底修饰层诱导生长MoS2薄膜。具体方法如图3所示，将50 mg MoO3放置在管式炉的第二温区，为了避免O2分压过高MoO3的过快挥发，以及高温下氧气分压过低MoO3的自发还原，采用氩氧混合气（Ar:O2=20:10 sccm）并加热至560℃；将蓝宝石衬底放置在第三温区，加热至900℃，高温能提供足够的能量来克服反应能垒，促进Al2O3表面的O与Mo之间的化学键合，在各温区达到目标温度后，保温1 h。该预处理过程能够在蓝宝石高温退火的同时在衬底表面预沉积MoO3，期间炉内压力维持在0.165 Torr。待预处理后的蓝宝石衬底随炉冷却后，进行下一步的MoS2薄膜制备。实验采用梯度温区协同控制策略，将高纯硫粉（Alfa Aesar，99.9%，1.0 g）封装于石英微腔并置于第一温区，通过精确温控模块以2℃/min速率升温至120℃；同时，在第二温区将超高纯MoO3粉末（Alfa Aesar，99.999%，17.0 mg）装载于石英舟内，经梯度升温程序达到560℃；预处理蓝宝石衬底固定于第三温区石英基座，经梯度升温程序达到900℃。实验全程维持腔体压力在0.165 Torr，其中硫升华区采用纯氩气作为载气（120 sccm），MoO3蒸发区采用氩氧混合气（Ar:O2=100:1 sccm），其中氧气的微量引入可有效调节反应气氛的氧化还原势，促进MoO3向MoS2的反应过程，优化硫的化学活性。

      通过多温区同步升温控制（各温区达到设定温度的时间偏差<30 s），实现硫/钼前驱体蒸气与衬底表面的动力学平衡。在20 min生长过程中，第一温区硫蒸气经载气输运至衬底高温沉积区，气相MoO3在输运过程中形成亚氧化钼中间体，最终在蓝宝石表面发生硫化反应生成MoS2。如图4（c）所示，相较于传统的蓝宝石退火再生长方式，这种MoO3衬底修饰层辅助方法所制备出的MoS2薄膜表面覆盖率更高，没有观察到孔洞存在。结合图4（d）拉曼光谱表征（特征峰间距≈20 cm−1）证实获得了2英寸单层MoS2连续薄膜，薄膜的PL mapping表征结果（图4（e））表明薄膜具有较高的结晶质量，均匀性和覆盖率。

    2.   结果及分析

      2.1.   实验机理

    • 实验发现高温预处理过程中MoO3与蓝宝石（α-Al2O3）衬底之间的界面相互作用是提升MoS2薄膜均匀性和覆盖率的关键。XPS表征结果显示，预处理后Al2p结合能从未处理衬底的74.3 eV（图5（a））显著移至75.9 eV，表明铝原子的化学环境发生了改变。结合能升高可能源于Al-O-Mo-O键的形成，导致基底Al原子局域电子密度降低。这种界面键合的形成能垒在高温和氧气环境中被有效克服，使异质原子间的化学键合成为热力学主导过程。强界面键合增强了MoO3反应源在蓝宝石表面的附着能力，抑制了后续硫化过程中前驱体的脱附，从而为均匀的硫置换反应提供了稳定的模板。预处理后衬底的Mo3d谱（图5（b））中，232.3 eV和235.5 eV的特征峰清晰对应Mo6+的3d5/2和3d3/2轨道，表明钼元素以高氧化态存在。更为关键的是O1s谱（图5（c））的分析结果：在530 eV处出现的强特征峰，表明氧原子主要处于晶格氧（M-O-M）环境中。结合Al2p结合能显著正向位移至75.9 eV（图5（a）），说明530 eV的O1s主峰并非源于MoO3自身的晶格氧，从而证实了Al-O-Mo键合结构中桥氧的存在。此外AFM表征结果（图5（d））表明，相较于无处理的蓝宝石表面，预处理后的蓝宝石表面形貌无明显变化，且扫描显示表面没有杂质。这些特征表明MoO3前驱体并非以物理吸附形式存在，而是通过化学反应与蓝宝石表面的Al原子形成了原子级的Al-O-Mo-O键合界面（图5（e））。相较于传统的蓝宝石退火后制备MoS2薄膜的方法，衬底表面的Al-O-Mo-O修饰层使得气相钼源MoO3在硫化过程中更易被硫原子均匀取代，形成均匀全覆盖的MoS2薄膜。未修饰处理的蓝宝石衬底由于弱物理吸附则可能导致MoO3分布不均，硫化时产生孔洞和裂纹。综上，高温预沉积策略通过构建Al-O-Mo-O界面优化了反应前驱体−衬底界面相互作用，为二维材料的高质量外延生长提供了新思路。

      • 2.2.   薄膜电学性能表征

    • 在生长的蓝宝石衬底上直接构筑基于单层MoS2的顶栅场效应晶体管（TG-FET），其结构如图6（a）所示，采用原子层沉积HfO2（12 nm）作为栅介质层，电子束光刻制备Au（20 nm）源漏电极。在室温大气环境下，通过半导体参数分析仪（Keysight B1500A）测得器件电学转移特性曲线（图6（b）），转移特性曲线（Vds =1 V）显示器件开关比为1.2×107（图6（b）），优于已报道的蓝宝石直接构筑的顶栅器件（~105−106）。如图6（a）为构筑的单层MoS2薄膜顶栅晶体管阵列，随机测试其中48个器件的电学性能（图6（d）），统计曲线可以看出该方法制备的薄膜具有较为均一的电学性能，开关比相对标准偏差<18%。

    3.   结论

    • 本工作发展了一种衬底表面Al-O-Mo-O化学键合修饰层诱导生长高覆盖率MoS2晶圆的方法，解决了气相传输过程中反应源与蓝宝石衬底Al-O界面弱吸附作用导致的厚度波动、覆盖率不理想等问题。通过在高温下控制稳定的O2和MOO3分压，预先在蓝宝石表面制备了Al-O-Mo-O化学键合修饰层，有效增强了源与衬底的吸附作用，促进了之后反应钼源的均匀沉积和硫化。制备出了全覆盖、高质量的单层MoS2薄膜，搭建了一批顶栅阵列器件，器件开关比最高达到107。晶体管阵列器件的电学测试结果表明该薄膜具有很好的均一性。因此，本研究为CVD制备MoS2薄膜覆盖率提供了新方法，有望进一步推动MoS2薄膜向实际应用迈进。

    参考文献 (18)

目录

/

返回文章
返回