单晶2D半导体的新合成技术可能催生下一代器件

一个研究小组成功开发了一种新的2D半导体合成技术。该技术能够在各种基板上直接生长晶片级单晶2D半导体。这项研究发表在《自然》杂志上

随着人工智能（AI）技术的进步，对增强半导体性能的需求增加，同时对降低半导体器件功耗的积极研究也在增加。因此，取代传统硅的新型半导体材料正受到关注

其中，过渡金属二硫化物（TMD）等二维材料因其薄结构和优异的电性能而被视为下一代半导体。然而，目前缺乏大规模生产技术来高质量地合成它们并在工业上加以利用

迄今为止最有前景的合成方法，化学气相沉积（CVD），存在电性能退化和将生长的TMD转移到不同基板的必要性等问题，增加了工艺的额外复杂性。此外，在高度结晶的基板上生长TMD的“外延”方法也需要转移过程，并且仅限于特定的基板

因此，基于高质量TMD的先进3D集成技术的发展已成为现代半导体行业的一项关键挑战，进一步强调了对新型TMD合成方法的迫切需求

为了解决这个问题，研究团队开发了一种全新的增长方法。他们引入了一种利用二维材料（如石墨烯和六方氮化硼）作为模板的方法，引导TMD晶体排列，从而能够在任何基板上合成完美的单晶TMD薄膜。这项名为“hypotaxy”的技术是世界上第一次开发的。“hypotaxy”这个名字是由“hypoy”（意思是“向下”）和“taxy”（意为“排列”）组合而成的，反映了合成薄膜的向下生长特性

这项技术具有巨大的工业潜力，因为它允许在低温（400°C）下生长单晶TMD，使其与现有的半导体制造工艺兼容。此外，石墨烯模板自然消失，不需要后去除工艺，并且可以精确控制金属膜的厚度以调节TMD层的数量。这些独特的特征使hypotaxy有别于现有的方法

此外，使用通过hypaxy合成的TMD制造的半导体器件表现出高载流子迁移率和优异的器件均匀性，表明hypaxy在开发高性能、高集成度的2D半导体器件和下一代2D半导体的商业化方面具有巨大的潜力

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

除了在2D半导体生长中的应用外，hypotaxy还被认为是一种适用于合成所有晶体薄膜材料的创新技术。通过不仅克服传统半导体制造方法的局限性，而且能够通过模板精确控制晶体取向和结构，这种方法提出了一种前所未有的突破性方法

领导该研究的Gwan Hyoung Lee教授强调了这项研究的意义，他说：“我们开发的hypaxy技术克服了外延的局限性，外延是20世纪30年代首次提出的概念，也是现代电子器件开发的基本支柱。由于hypaxy能够实现3D集成，这对下一代人工智能半导体至关重要，我预计它将成为材料工程中的一种革命性方法。”

该论文的第一作者Donghoon Moon在回顾研究过程时说：“最大的挑战是打破外延的传统观念，外延一直是合成各种高质量材料的标准。正如hypaxy出现的那样。从外延的反直觉角度来看，我希望这一成就能够成为新材料开发和新型晶格结构合成等领域突破性研究的催化剂。”