Hipotaxia: crescimento descendente de filmes de dichalcogeneto de transição de cristal em escala única em escala by way of coalescência de núcleos alinhados através de nanoporos de grafeno

Com o rápido avanço e a crescente complexidade da tecnologia de fabricação de semicondutores, há uma necessidade atraente de materiais semicondutores de alta qualidade com propriedades elétricas, térmicas e mecânicas superiores. No entanto, as limitações dos semicondutores à base de silício tornaram-se aparentes, sinalizando uma necessidade crítica de materiais alternativos que podem sustentar o desempenho superior, mesmo na escala atômica. Entre os candidatos, os semicondutores bidimensionais (2D), como dichalcogenetos de metallic de transição (TMDs), destacam-se como sucessores promissores devido à sua capacidade de manter a cristalinidade na nanoescala, satisfazendo os requisitos rigorosos da indústria semicondutora contemporânea. Apesar de seus atributos notáveis, incluindo excelente desempenho elétrico, óptico e térmico, mesmo em dimensões ultrafinas, a comercialização de semicondutores 2D permanece prejudicada pelos desafios de alcançar um crescimento de alta qualidade e alta qualidade. Embora um progresso significativo tenha sido feito na sintetização de DTMs para abordar questões de escalabilidade além dos métodos baseados em esfoliação, esses avanços ainda não são suficientes para o uso industrial generalizado. Este momento marca um ponto de virada essential para a indústria de semicondutores, pois a viabilidade da integração dos semicondutores em 2D em aplicações práticas determinará seu papel na formação da próxima period dos eletrônicos.

A deposição de vapor químico (DCV) é amplamente considerada um dos métodos mais promissores para a produção de materiais 2D, incluindo grafeno e DTM. Os esforços para melhorar a qualidade dos TMDs cultivados em CVD se concentraram em obter controle preciso da espessura, aumentar o tamanho dos grãos e minimizar defeitos como limites de grãos e vagas. Entre essas abordagens, o crescimento epitaxial de DTMs em substratos altamente cristalinos, como a safira, ganhou atenção significativa (1-3). Este método permite que os grãos de DTM cresçam em alinhamento com a estrutura cristalina do substrato, resultando em crescimento uniforme e orientado. Embora a epitaxia represente um grande passo adiante no controle do crescimento de cristais na escala atômica, é limitada pela seleção estreita de substratos adequados e pela necessidade de um processo de transferência para integrar os materiais nas plataformas de destino. O enfrentamento desses desafios é essential para o avanço da integração 3D monolítica na tecnologia de semicondutores, enfatizando a importância de desenvolver métodos inovadores e escaláveis ​​de síntese.

Investigamos o potencial de utilizar um materials 2D flexível, estável e facilmente removível, em vez de um substrato convencional, como o fator -chave que determina a orientação do cristal dos materiais em crescimento. Uma de nossas principais pesquisas se concentra na funcionalização dos materiais 2D para não apenas exibir novas propriedades, mas também aprimorar suas interações com outros materiais, permitindo o crescimento alinhado impulsionado por forças mais fortes que as interações van der Waals. Especificamente, desenvolvemos um método para criar nanoporos em materiais 2D, como grafeno e nitreto de boro hexagonal (papel em preparação (4-7)), descobrindo que esses defeitos intencionais podem ativar forças únicas em interações com outros materiais. Ao alavancar esse fenômeno, previmos que essa modificação estrutural poderia servir como guias eficazes para o crescimento de outros materiais. Além disso, durante anos de trabalho extenso, nossos esforços incluíram o crescimento de vários materiais 2D by way of CVD (8-10), alavancando as interações entre camadas entre camadas para fortalecer o acoplamento entre materiais 2D e outras substâncias e alcançar a recristalização ou o alinhamento de orientação do cristal entre os materiais (11-13 ). Além do conceito tradicional de epitaxia, pretendemos estabelecer uma abordagem integrada que permita que os materiais 2D sejam estudados e utilizados mais gratuitamente em uma ampla gama de aplicações. Nossa pesquisa anterior culminou no desenvolvimento de hipotaxia, com o prefixo “hypo” significa “descendente” e o sufixo “taxia” significando “arranjo”.

Figura 1. Mecanismos de crescimento de epitaxia e hipotaxia. Esquema dos mecanismos de crescimento para epitaxia convencional (esquerda) e hipotaxia proposta (direita).

Curiosamente, encontramos uma visão importante das origens da hipotaxia durante um experimento projetado para um propósito totalmente diferente. O objetivo inicial period empregar a sulfurização de filmes de molibdênio (MO) – um dos métodos mais simples para sintetizar MOS de área grande₂ – enquanto usa grafeno como uma barreira para bloquear a sulfurização em áreas cobertas por grafeno. Essa abordagem foi destinada a fabricar estruturas de mosa padronizadas durante a síntese, mas inesperadamente forneceu pistas críticas para entender o mecanismo de crescimento hipotaxial. Observamos que o MO não period sulfurizado e permaneceu abaixo do grafeno multicamada como pretendemos, enquanto em regiões cobertas por uma única camada de grafeno, o grafeno desapareceu e um único cristal de MOS₂ foi formado. O processo de calcogenização do metallic é amplamente conhecido como um método simples para sintetizar TMDs de área grande, mas tem o problema de produzir materiais de baixa qualidade, de modo que nosso resultado inesperado foi surpreendente. Começamos a desenvolver esse processo, denominado hipotaxia, observando de perto a dinâmica do crescimento em durações de sulfurização progressivamente estendidas.

Descobrimos que os tmds de cristal único em escala de wafer, como o MOS₂Mose₂Ws₂e WSE₂pode ser cultivado por sulfurização (ou selenização) de filmes de metais de transição pré-depositados (MO e W) através do grafeno de monocamada de cristal único que foi transferido para os filmes de metallic antes do processo de sulfurização. Durante o processo, precursores, como S e SE, são fornecidos através de nanoporos <5 nm no grafeno que são gerados no estágio inicial e o MOS₂ núcleos se formam com alinhamento cristalino com grafeno. Para o crescimento hipotaxial, a formação de nanoporos nos modelos 2D, como grafeno e HBN, é crítica. Revelamos que nanoporos <5nm no grafeno têm forte interação com os núcleos de DTM crescentes, levando ao alinhamento desses núcleos. À medida que os nanoporos se expandem, o MOS alinhado unidirecionalmente₂ Os núcleos se fundem em grãos maiores sem formação de limites de grãos. O mos₂ As camadas crescem a partir da região superior do filme MO, permanecendo o filme MO na parte inferior. Finalmente, a camada superior de grafeno é removida naturalmente durante o processo, resultando na formação de TMDs de cristal único. O resíduo induzido durante a transferência de grafeno também é removido, deixando para trás a superfície ultraclean das TMDs. Nossa técnica de crescimento hipotaxial nos permite Fabricar TMDs de cristal único de 4 polegadas através de modelos 2D sobrejacentes, mesmo em substratos amorfos ou incomparados por treliça, preservando o alinhamento cristalino entre camadas com os modelos 2D.

Figura 2. O esquema passo a passo do crescimento hipotaxial da DTM através de um modelo bidimensional. Pela calcogenização de um filme de metallic pré-depositado sob grafeno, os núcleos de DTM alinhados, coalescando em um filme de cristal único à medida que o grafeno é removido.

Este método atinge o controle preciso da espessura do MOS ₂ de monocamada para centenas de camadas em diversos substratos, produzindo MOS de cristal único de 4 polegadas₂ com alta condutividade térmica (~ 120 Wm^-1Okay^-1) e mobilidade (~ 87 cm²V^-1s^-1). Essas propriedades estão próximas dos limites teóricos ou mais do que os de amostras esfoliadas. Além disso, nanoporos criados no grafeno by way of tratamento com plasma de oxigênio permitem MOS₂ crescimento a uma temperatura mais baixa de 400 ° C, compatível com processos de back-end-of-line (BEOL). Esta abordagem de hipotaxia também se estende a outros TMDs, como Mose₂Ws₂e WSE₂oferecendo uma nova solução para limitações de substrato na epitaxia convencional e permitindo TMDs em escala de wafer para integração 3D monolítica.

Para mais detalhes, consulte a versão authentic do manuscrito em Natureza.

(https://www.nature.com/articles/s41586-024-08492-9)

(1) Li, T. et al. Crescimento epitaxial de cristais únicos de semicondutores de dissulfeto em escala de wafer na safira. Nat. Nanotechnol. 16, 1201-1207 (2021)

(2) Liu, L. et al. Nucleação uniforme e epitaxia de dissulfeto de molibdênio em safira. Natureza 60569-75 (2022).

(3) Kim, Ks et al. Crescimento do materials 2D de cristal único não epitaxial por confinamento geométrico. Natureza 61488-94 (2023).

(4) Son, J. et al. As paradas atomicamente precisas de grafeno para sistemas integrados tridimensionais a partir de heteroestruturas de materials bidimensional. Nat. Comun. 93988 (2018).

(5) Ryu, H. et al. Contatos de grafeno fluorados e camada de passivação para MOS₂ Transistores de efeito de campo. Adv. Elétron. Mater. 82101370 (2022).

(6) Shin, Y. et al. Grafeno by way of arquitetura de contato para integração vertical de dispositivos de heteroestrutura VDW. Pequeno 182200882 (2022).

(7) Shin, Y. et al. Fluorinação e gravura facilitadas de materiais 2D. Appl. Surf. Sci. 645158857 (2024).

(8) Jung, Y. et al. Nucleação e crescimento de monocamada MOS₂ em várias etapas de moo₂ Cristais por sulfurização. ACS Nano 177865-7871 (2023)

(9) Kwon, J. et al. Integração de 200 mm-lascas de transistores de dissulfeto policristalino molibdênio. Nat. Elétron. 7356-364 (2024).

(10) Jung, Y. et al. Wo_x-Crescimento acionado de 2H- e 3R-WS₂ multicamadas por deposição física de vapor. Appl. Surf. Sci. 682161676 (2024).

(11) Kim, H. et al. Anisotropia no plano de grafeno por fortes interações entre camadas com van der Waals epitaxialmente cultivada Moo₃. Sci. Adv. 9EADG6696 (2023).

(12) Lee, Y. et al. Quasi-van der Waals Recristalização epitaxial de um filme fino de ouro em cristais únicos alinhados cristalograficamente. ACS APPL. Mater. Interfaces 156092-6097 (2023).

(13) Baek, J.-H. et al. Reconstrução atômica induzida termicamente em estruturas totalmente proporcionais de camadas de dichalcogeneto de metallic de transição. Nat. Mater. 221463-1469 (2023).