Исследовательская группа под руководством проф. Жэнь Вэньцай из Института исследования металлов (ИИМ) Китайской академии наук добилась эпитаксиального роста монокристаллов MoSi2N4, высокоэффективного двумерного (2D) полупроводника p-типа, в масштабе пластины.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Materials («Выращивание монокристаллов высокостабильного полупроводникового монослоя MoSi2N4 на пластинчатом уровне»), являются важным шагом на пути к созданию интегральных схем на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП) на основе двумерных материалов.

По мере уменьшения размеров электронных устройств традиционные полупроводники, такие как кремний, сталкиваются с фундаментальными физическими ограничениями, в том числе с эффектом короткого канала. Слоистые 2D-полупроводники Ван-дер-Ваальса с их атомарно тонкой толщиной и поверхностями без оборванных связей обладают неоспоримыми преимуществами для технологических узлов с толщиной менее 5 нанометров.

В то время как различные двумерные полупроводники n-типа, в том числе MoS2 и WS2, были успешно выращены в виде монокристаллов размером с пластину, аналогов p-типа, сочетающих в себе высокую подвижность и превосходную стабильность, крайне мало, а их выращивание в виде монокристаллических пластин оказалось еще более сложной задачей.

В 2020 году исследователи впервые создали двумерный полупроводник p-типа MoSi2N4, добавив кремний в неслойную систему выращивания нитрида молибдена. Так было создано семейство ван-дер-ваальсовых слоистых материалов MA2Z4. Монокристалл MoSi2N4 имеет ширину запрещенной зоны, сравнимую с шириной запрещенной зоны MoS2, но превосходит его по теоретической подвижности носителей заряда, теплопроводности, модулю Юнга и прочности на разрыв, а также обладает исключительной стабильностью.

Однако до сих пор экспериментальным путем удавалось получить только поликристаллические пленки MoSi2N4. Границы зерен сильно ухудшают показатели электропроводности и нарушают целостность пленки при переносе.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали метод химического осаждения из газовой фазы с использованием монокристаллов, обогащенных атомами Mo и Si, в качестве подложки для роста. Они обнаружили, что это способствует ориентированному зарождению монослойных доменов MoSi2N4 в одной ориентации, обеспечивая бесшовное сшивание в непрерывную монокристаллическую пленку.

Полученный монослой MoSi2N4 обладает превосходными кристаллическими свойствами, а собственная подвижность носителей заряда достигает 154 см2 В-1 с-1. Массивы полевых транзисторов, изготовленные из этого материала, демонстрируют отличные электрические характеристики, в том числе коэффициент включения/выключения примерно 3,8 ± 1,4 × 106 и плотность тока в открытом состоянии до 17,96 мкА мкм-1 при длине канала 1 мкм. Эти массивы также демонстрируют более высокую стабильность по сравнению с однослойными устройствами на основе WSe2.

Кроме того, этот метод универсален и может быть использован для выращивания монокристаллов WSi2N4 на пластинах.
Эта работа создает многообещающую двумерную полупроводниковую платформу p-типа для будущих интегральных схем и предлагает общую стратегию выращивания монокристаллов других двумерных материалов на пластинах. Это расширяет возможности их применения в электронике и информационных технологиях.