Новий метод забезпечив контрольований ріст 2D-напівпровідників

Дослідники представили метод контрольованого зародження двовимірних напівпровідників, який дає змогу вирощувати монокристали дисульфіду молібдену в заздалегідь визначеному центрі кожної структури. Як повідомляє Nature, технологія отримала назву etching-flux-mediated single-centred nucleation, або EF-SCN.

Метод призначений для вибіркового вирощування двовимірних перехідних дихалькогенідів металів. У звичайних процесах зародження кристалів може відбуватися у випадкових точках зони росту, через що утворюється кілька кристалічних доменів і складніше контролювати їхній розмір та розташування.

Кисневий потік обмежує зародження

У системі EF-SCN бар’єр із оксиду гафнію вивільняє кисень під час росту матеріалу. Цей кисень створює бічний потік травлення, який пригнічує зародження дисульфіду молібдену поблизу межі бар’єра. У результаті найбільша ймовірність формування кристала залишається в геометричному центрі зони росту.

Монокристалічний MoS₂ вирощували методом металоорганічного хімічного осадження з парової фази на структурованій підкладці із сапфіру та оксиду гафнію. Автори зафіксували центроване зародження по всьому масиву структур і подальший бічний ріст кристалів. Для окремих пластівців розмір сягав приблизно 7 мікрометрів, а в описі методу зазначено можливість одержувати монокристали на масштабі до 10 мікрометрів.

Результати на великих масивах

На підкладці діаметром 2 сантиметри дослідники сформували 400 ділянок у 16 регіонах. Вихід однокристалічних структур перевищив 99%. Також метод випробували на аморфній підкладці з діоксиду кремнію: кристали на різних ділянках мали випадкову орієнтацію, однак орієнтація в межах кожної окремої ділянки була сталою.

Для низькотемпературного варіанта процесу замість оксиду гафнію використали оксид цирконію. За температури 430 °C система забезпечила рівномірне центроване зародження трикутних монокристалічних доменів MoS₂. За 500 °C дослідники отримали, зокрема, монокристал розміром 8 мікрометрів і суцільні однокристалічні плівки в областях завширшки 10 мікрометрів.

Виміряна польова рухливість носіїв заряду у вирощеному монокристалі MoS₂ становила 117 см²/(В·с). Великий кристал дав змогу інтегрувати кілька польових транзисторів в одному каналі; відносне стандартне відхилення їхньої рухливості становило 7,8%. Автори також продемонстрували точне позиційне й орієнтаційне вирівнювання бічних двовимірних гетероструктур для самовирівняних контактних транзисторів.