我国学者实现晶圆级菱方相二维叠层单晶精准原子制造
2025/06/02
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图 “晶格传质-界面外延”晶圆级3R-TMDs单晶
在国家自然科学基金项目（批准号：52025023、52322205、52250398）等资助下，北京大学刘开辉、中国人民大学刘灿、中国科学院张广宇等人合作，在晶圆级菱方相二维叠层单晶精准原子制造方面取得进展，相关成果以“多层菱方相过渡金属硫族化合物单晶的界面外延（Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals）”为题，于2024年7月5日在线发表于《科学》（Science）。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6038。
二维过渡金属硫族化合物（TMDs）根据层间堆垛排布方式可以分为六方相（2H-TMDs：六方晶系，层间堆垛方式为AA’AA’）与菱方相（3R-TMDs：三方晶系，层间堆垛方式为ABCABC）结构。其中3R-TMDs较2H-TMDs具备更高的载流子迁移率及电流密度，使其成为2纳米以下技术节点集成电路的理想沟道材料。另外，3R-TMDs独特的层间堆垛方式打破了面内反演对称性和面外镜像对称性，赋予其界面极化反转的铁电性、高能效体光伏效应和相干增强非线性光学响应。这些物理特性有望推动3R-TMDs在“后摩尔时代”先进制程微电子、非易失性存储器、神经拟态计算、太阳能能量转换、片上非线性光学器件、量子光源等电子芯片及光子芯片领域的发展。然而，面向电子/光子芯片用的3R-TMDs单晶薄膜制备极具挑战，目前尚无法实现。
该团队提出了一种全新的“晶格传质-界面外延”生长新范式。通过衬底晶格实现反应源的界面连续传质，同时，利用衬底表面台阶确保单晶性和堆垛同向性，首次实现了晶圆级3R-TMDs单晶的通用制备。实验结果显示，这些材料展现出极高的电学性能，满足国际器件与系统路线图2028年半导体器件迁移率目标要求；同时，在非线性频率转换方面，实现了近红外波段高能效差频转换效率，较单层提升5个数量级。
该工作发展了“晶格传质-界面外延”材料制备新范式，有望推动新一代电子芯片及光子芯片技术应用。
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