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近日，南京大学李涛涛副研究员、王欣然教授在《国家科学进展》（National Science Open，NSO）发表研究论文，发展了大面积过渡金属硫族化合物单晶薄膜制备的氯化物气相外延工艺（HVPE），解决了化学气相沉积法制备过渡金属硫族化合物过程中所面临的固态源挥发难、流量控制难、薄膜生长难的科学问题，首次实现了晶圆级二硒化钼单晶薄膜外延生长。
过渡金属硫族化合物（TMDC）被视为未来集成电路的关键沟道材料之一。晶圆级的单晶薄膜可控制备是实现产业化应用的基础。在诸多TMDC家族中，目前仅有二硫化钼、二硫化钨单晶薄膜被报道，更多TMDC材料的大面积单晶制备仍然存在困难。一方面，衬底设计必须确保单一方向的晶粒形核。另一方面，外延工艺设计必须确保源的精准、持续、稳定供给，方能得到连续、均匀的薄膜。针对衬底问题，斜切C面蓝宝石、a面蓝宝石、单晶Au(111)衬底等诸多策略已有报道。而工艺问题的核心，涉及气相前驱体供给的可控性。具体地：1）固态源的可控升华。对于绝大多数TMDC 材料，其金属源、金属氧化物源往往具有高的熔沸点、极低的饱和蒸气压，无法满足材料的有效生长；2）氧化物源具有高的反应势垒。比如常用的MoO3和WO3源，升华后得到环状（MoO3)3、（WO3)3气体分子。硫族元素与环状分子反应，打开环状分子的化学键，需要克服较高的反应势垒。引入氢气有助于促进这一反应的进行，但H2也将进一步还原金属氧化物，影响其挥发速率。
针对上述问题，李涛涛副研究员和王欣然教授发展了TMDC的氯化物气相外延工艺实现TMDC的大面积单晶制备。该工艺使用HCl气体与金属源原位反应，产生金属氯化物气体，与硫族元素反应，在衬底表面得到大面积TMDC材料。以MoSe2为例，使用微量HCl气体（1-5 sccm）流经加热的金属Mo，原位反应释放MoCl5气体，进入外延腔体与Se和H2反应得到MoSe2。MoCl5的流量/浓度可由HCl的流量和Mo源温度、Mo源的量精确控制。金属氯化物具有高的饱和蒸气压和强的反应活性，可以实现大面积材料的可控生长。利用前期研究成果中所设计的C/A-1°蓝宝石衬底，成功得到2英寸的MoSe2单晶薄膜。在该方案中，金属源可以持续使用，避免了反复添加，大大减少操作流程，具备极大的产业化优势。
该工作采用了一系列表征手段，包括反射式高能电子衍射（RHEED）、低能电子衍射(LEED)、二次谐波(SHG)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、光学显微镜、拉曼光谱、PL等技术，系统地表征了MoSe2与衬底的外延关系，论证了材料的单晶特性，证实了较高的晶体质量。
由于绝大部分金属均可与HCl气体发生高温反应，得到对应的气相金属氯化物，HVPE方案将推进晶圆级二维单晶薄膜的普适性制备。
该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金的大力支持。
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