【直播回顾】二维半导体材料的可控制备及其应用

直播开讲 精彩不停

2025年2月21日，北京大学物理学院刘开辉教授课题组秦彪博士做客追光智汇直播间，带来了一场关于二维半导体材料的可控制备及其应用的精彩之旅。

全球硅基集成电路产业进入“后摩尔时代”，芯片性能提升变得愈发困难。本次追光智汇直播间，秦彪博士为我们带来了一场有关“晶格传质-界面外延”生长晶圆级3R-TMDs单晶新范式的研究分享。报告介绍了刘开辉教授团队在二维半导体过渡金属硫族化合物（TMDs）材料的电子和光学性质方面的工作进展，回顾了芯片行业发展历程和现状，总结了课题组在大规模电子集成和光子集成电路芯片等多个前沿技术领域的研究成果。

弹幕答疑 实时互动

Q：传统CVD方法生长的二维半导体材料常存在单晶晶畴尺寸小、形核密度高、缺陷密度大、生长速率慢等问题，难以满足集成电路等应用需求，如何精确控制生长参数，如温度、气体流量、压强等。以实现高质量、大面积的单品生长？

A：传统的CVD方法在生长二维半导体材料时，确实面临着许多挑战，尤其是在控制单晶晶畴尺寸、减少缺陷密度、提高生长速率等方面。为了解决这些问题，精准控制生长参数至关重要。实际上，CVD系统往往存在一定的误差，比如温度、时间不准确等等，这需要操作人员对CVD系统充分的了解。总体而言，CVD生长过程是可以通过以下方向进行优化和控制的：
（1）温度对材料的生长具有决定性影响。过高的温度可能导致原子或分子在衬底上的过快扩散，从而形成多个小晶畴；而过低的温度则可能使得原子吸附在衬底上的能力较弱，导致晶格缺陷的生成。因此，精准的温度控制有助于优化晶体质量和晶畴尺寸。研究表明，在某些二维半导体材料的生长中，采用梯度温度（例如从衬底到气相温度逐渐降低）有时能促进较大单晶区域的生长。 
（2）气体流量直接影响源气体的浓度，进而影响原料的沉积速率和形核过程。高气体流量可以提高沉积速率，但也可能导致形核密度过高，影响晶体的质量。调节气体流量和成分（如反应气体与载气的比例）是控制生长过程中晶畴尺寸和缺陷密度的关键。
（3）在CVD过程中，压强影响气体的扩散、反应速率以及沉积过程。过高的气压可能使得反应气体浓度过高，导致晶格缺陷增加；而过低的气压可能导致气体分子之间的碰撞减少，影响均匀沉积。因此，在不同材料的生长过程中，优化压强是提高单品生长质量的另一个重要因素。 
（4）衬底表面的清洁度和预处理方法对生长过程至关重要。对于CVD生长而言，衬底的处理（如表面刻蚀或清洗）能够有效控制形核密度，进而影响晶畴尺寸。确保衬底表面平整且无污染，是保证大面积单晶生长的前提。 
（5）生长速率的控制有助于晶体的逐步生长而不是突发性地形核过多。较慢的生长速率通常能促进较大尺寸晶体的形成，但实际应用中，较快的生长速率也可能是必要的。通过精确调节生长速率，可以达到合适的平衡，实现高质量大面积的单晶。

Q：如何提高二维半导体材料的生长效率，同时精确控制，实现特定晶相、层数和结构的二维材料生长？

A：提高二维半导体材料的生长效率并精确控制其晶相、层数和结构，首先需要优化生长条件，如温度、气体流量和压强。通过精确调控这些参数，可以调节材料的形核密度、晶畴尺寸和层数，进而实现对晶相和结构的精准控制。此外，采用多阶段生长策略，如通过逐渐改变温度或气体成分，能够实现特定晶相的选择性生长。催化剂或辅助物质的引入也有助于提高生长速率，同时控制层数和缺陷密度。表面和界面处理能够实现特定的晶相、层数和结构。例如，我们使用金属Ni衬底的晶格传质、界面外延策略，能够显著改善材料质量和生长速度并引导特定晶相（菱方相）的形成。实时监测和反馈调节可以帮助动态调整生长过程，进一步提高精度。通过这些方法的结合，可以在提高生长效率的同时，精确实现所需的二维半导体材料特性。

Q：二维半导体与金属电极之间的接触电阻通常较大，导致器件的性能受限，有哪些新的接触材料和工艺，可以优化界面结构，降低接触电阻，提高载流子的注入和传输效率？

A：二维半导体与金属电极之间的接触电阻较大，主要由于金属与二维半导体的界面不匹配及费米能级差异。为降低接触电阻、提高载流子的注入和传输效率，近年来提出了多种新的接触材料和工艺，主要包括以下几种：
（1）低功函数金属：使用低功函数匹配得金属作为电极材料，可以有效降低接触电阻。这些金属能更好地与二维半导体的导电带对接，减少费米能级差异，从而改善载流子注入。
（2）金属-二维半导体异质结构：通过在金属电极和二维半导体之间引入过渡金属化物或合金，可以优化界面结构，减小接触电阻。这些材料具有较好的界面匹配性，减少界面缺陷和阻抗。 
（3）二维材料的表面修饰：对二维半导体表面进行化学修饰，比如如通过引入金属离子和掺杂，可以调节半导体的电子结构，提高载流子在界面的传输效率。
（4）原子级界面工程：通过直接转移金属电极技术或者使用范德华接触，使得金属二维半导体之间的界面洁净且缺陷更少，能够实现更好的载流子注入。此方法可以大幅提高界面的电子传输效率。

秦彪博士表示二维材料的自由度更高，相对于传统具备更大的灵活性和多样性，利用单一材料的范德华异质堆垛可以实现超越摩尔定律的三维集成，二维材料可控制备及其应用领域存在众多方向需要关注，刘开辉教授团队致力于二维半导体材料相关的全方向研究，未来将继续探索更多材料制备方式及应用领域，如单晶范德华异质结、大规模COMS三维集成的直接构筑等，以此为推动后摩尔时代集成电路前沿发展贡献力量。

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