直播開講 精彩不停

2025年2月21日，北京大學(xué)物理學(xué)院劉開輝教授課題組秦彪博士做客追光智匯直播間，帶來了一場關(guān)于二維半導(dǎo)體材料的可控制備及其應(yīng)用的精彩之旅。

全球硅基集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”，芯片性能提升變得愈發(fā)困難。本次追光智匯直播間，秦彪博士為我們帶來了一場有關(guān)“晶格傳質(zhì)-界面外延”生長晶圓級(jí)3R-TMDs單晶新范式的研究分享。報(bào)告介紹了劉開輝教授團(tuán)隊(duì)在二維半導(dǎo)體過渡金屬硫族化合物（TMDs）材料的電子和光學(xué)性質(zhì)方面的工作進(jìn)展，回顧了芯片行業(yè)發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，總結(jié)了課題組在大規(guī)模電子集成和光子集成電路芯片等多個(gè)前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究成果。

彈幕答疑 實(shí)時(shí)互動(dòng)

Q：傳統(tǒng)CVD方法生長的二維半導(dǎo)體材料常存在單晶晶疇尺寸小、形核密度高、缺陷密度大、生長速率慢等問題，難以滿足集成電路等應(yīng)用需求，如何精確控制生長參數(shù)，如溫度、氣體流量、壓強(qiáng)等。以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大面積的單品生長？

A：傳統(tǒng)的CVD方法在生長二維半導(dǎo)體材料時(shí)，確實(shí)面臨著許多挑戰(zhàn)，尤其是在控制單晶晶疇尺寸、減少缺陷密度、提高生長速率等方面。為了解決這些問題，精準(zhǔn)控制生長參數(shù)至關(guān)重要。實(shí)際上，CVD系統(tǒng)往往存在一定的誤差，比如溫度、時(shí)間不準(zhǔn)確等等，這需要操作人員對CVD系統(tǒng)充分的了解?？傮w而言，CVD生長過程是可以通過以下方向進(jìn)行優(yōu)化和控制的：
（1）溫度對材料的生長具有決定性影響。過高的溫度可能導(dǎo)致原子或分子在襯底上的過快擴(kuò)散，從而形成多個(gè)小晶疇；而過低的溫度則可能使得原子吸附在襯底上的能力較弱，導(dǎo)致晶格缺陷的生成。因此，精準(zhǔn)的溫度控制有助于優(yōu)化晶體質(zhì)量和晶疇尺寸。研究表明，在某些二維半導(dǎo)體材料的生長中，采用梯度溫度（例如從襯底到氣相溫度逐漸降低）有時(shí)能促進(jìn)較大單晶區(qū)域的生長。 
（2）氣體流量直接影響源氣體的濃度，進(jìn)而影響原料的沉積速率和形核過程。高氣體流量可以提高沉積速率，但也可能導(dǎo)致形核密度過高，影響晶體的質(zhì)量。調(diào)節(jié)氣體流量和成分（如反應(yīng)氣體與載氣的比例）是控制生長過程中晶疇尺寸和缺陷密度的關(guān)鍵。
（3）在CVD過程中，壓強(qiáng)影響氣體的擴(kuò)散、反應(yīng)速率以及沉積過程。過高的氣壓可能使得反應(yīng)氣體濃度過高，導(dǎo)致晶格缺陷增加；而過低的氣壓可能導(dǎo)致氣體分子之間的碰撞減少，影響均勻沉積。因此，在不同材料的生長過程中，優(yōu)化壓強(qiáng)是提高單品生長質(zhì)量的另一個(gè)重要因素。 
（4）襯底表面的清潔度和預(yù)處理方法對生長過程至關(guān)重要。對于CVD生長而言，襯底的處理（如表面刻蝕或清洗）能夠有效控制形核密度，進(jìn)而影響晶疇尺寸。確保襯底表面平整且無污染，是保證大面積單晶生長的前提。 
（5）生長速率的控制有助于晶體的逐步生長而不是突發(fā)性地形核過多。較慢的生長速率通常能促進(jìn)較大尺寸晶體的形成，但實(shí)際應(yīng)用中，較快的生長速率也可能是必要的。通過精確調(diào)節(jié)生長速率，可以達(dá)到合適的平衡，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量大面積的單晶。

Q：如何提高二維半導(dǎo)體材料的生長效率，同時(shí)精確控制，實(shí)現(xiàn)特定晶相、層數(shù)和結(jié)構(gòu)的二維材料生長？

A：提高二維半導(dǎo)體材料的生長效率并精確控制其晶相、層數(shù)和結(jié)構(gòu)，首先需要優(yōu)化生長條件，如溫度、氣體流量和壓強(qiáng)。通過精確調(diào)控這些參數(shù)，可以調(diào)節(jié)材料的形核密度、晶疇尺寸和層數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對晶相和結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制。此外，采用多階段生長策略，如通過逐漸改變溫度或氣體成分，能夠?qū)崿F(xiàn)特定晶相的選擇性生長。催化劑或輔助物質(zhì)的引入也有助于提高生長速率，同時(shí)控制層數(shù)和缺陷密度。表面和界面處理能夠?qū)崿F(xiàn)特定的晶相、層數(shù)和結(jié)構(gòu)。例如，我們使用金屬Ni襯底的晶格傳質(zhì)、界面外延策略，能夠顯著改善材料質(zhì)量和生長速度并引導(dǎo)特定晶相（菱方相）的形成。實(shí)時(shí)監(jiān)測和反饋調(diào)節(jié)可以幫助動(dòng)態(tài)調(diào)整生長過程，進(jìn)一步提高精度。通過這些方法的結(jié)合，可以在提高生長效率的同時(shí)，精確實(shí)現(xiàn)所需的二維半導(dǎo)體材料特性。

Q：二維半導(dǎo)體與金屬電極之間的接觸電阻通常較大，導(dǎo)致器件的性能受限，有哪些新的接觸材料和工藝，可以優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，降低接觸電阻，提高載流子的注入和傳輸效率？

A：二維半導(dǎo)體與金屬電極之間的接觸電阻較大，主要由于金屬與二維半導(dǎo)體的界面不匹配及費(fèi)米能級(jí)差異。為降低接觸電阻、提高載流子的注入和傳輸效率，近年來提出了多種新的接觸材料和工藝，主要包括以下幾種：
（1）低功函數(shù)金屬：使用低功函數(shù)匹配得金屬作為電極材料，可以有效降低接觸電阻。這些金屬能更好地與二維半導(dǎo)體的導(dǎo)電帶對接，減少費(fèi)米能級(jí)差異，從而改善載流子注入。
（2）金屬-二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)：通過在金屬電極和二維半導(dǎo)體之間引入過渡金屬化物或合金，可以優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，減小接觸電阻。這些材料具有較好的界面匹配性，減少界面缺陷和阻抗。 
（3）二維材料的表面修飾：對二維半導(dǎo)體表面進(jìn)行化學(xué)修飾，比如如通過引入金屬離子和摻雜，可以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)，提高載流子在界面的傳輸效率。
（4）原子級(jí)界面工程：通過直接轉(zhuǎn)移金屬電極技術(shù)或者使用范德華接觸，使得金屬二維半導(dǎo)體之間的界面潔凈且缺陷更少，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的載流子注入。此方法可以大幅提高界面的電子傳輸效率。

秦彪博士表示二維材料的自由度更高，相對于傳統(tǒng)具備更大的靈活性和多樣性，利用單一材料的范德華異質(zhì)堆垛可以實(shí)現(xiàn)超越摩爾定律的三維集成，二維材料可控制備及其應(yīng)用領(lǐng)域存在眾多方向需要關(guān)注，劉開輝教授團(tuán)隊(duì)致力于二維半導(dǎo)體材料相關(guān)的全方向研究，未來將繼續(xù)探索更多材料制備方式及應(yīng)用領(lǐng)域，如單晶范德華異質(zhì)結(jié)、大規(guī)模COMS三維集成的直接構(gòu)筑等，以此為推動(dòng)后摩爾時(shí)代集成電路前沿發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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晶萃光學(xué)JCOPTIX自2023年底啟動(dòng)了“追光計(jì)劃”系列活動(dòng)，旨在打造一個(gè)促進(jìn)學(xué)術(shù)與技術(shù)交流、推動(dòng)學(xué)科建設(shè)、培養(yǎng)光電領(lǐng)域人才的優(yōu)質(zhì)平臺(tái)，致力于構(gòu)建無界限、多元化的互動(dòng)生態(tài)，渴望讓參與者們在“追光智匯”找到專屬自己的光芒。該計(jì)劃還包含了追光者講壇、論文激勵(lì)方案等一系列活動(dòng)，鼓勵(lì)光電行業(yè)從業(yè)的伙伴在光電領(lǐng)域不懈探索與創(chuàng)新。

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