大规模碱辅助生长低缺陷密度的单层和双层 WSe2：为高性能电子应用解锁新可能

为解决高质量、大面积 WSe2薄膜生长难题，提升 P 型 WSe2晶体管性能，研究人员开展碱辅助化学气相沉积（AACVD）法生长 WSe2薄膜的研究。结果显示可制备低缺陷密度薄膜，且双层 WSe2晶体管性能更优，为未来电子应用提供可能。

　　在半导体材料的发展历程中，二维材料逐渐崭露头角，成为科学界的研究热点。二硒化钨（WSe₂）作为一种极具潜力的二维材料，理论上能为电子器件带来卓越性能，有望推动摩尔定律在更先进制程节点的延续。然而，在实际应用中，WSe₂却遭遇了重重阻碍。

一方面，与广泛研究的 n 型 MoS₂相比，P 型 WSe₂晶体管的发展明显滞后。这主要是因为生长高质量、大面积的 WSe₂薄膜困难重重。传统化学气相沉积（CVD）方法中，WO₃源较低的蒸气压使得大面积成核过程受阻，难以形成均匀连续的薄膜。虽然一些研究尝试引入等离子体或添加卤素盐来解决这一问题，但对生长后 WSe₂薄膜的缺陷类型和密度缺乏深入表征，而这些缺陷会严重影响器件性能。金属有机化学气相沉积（MOCVD）虽能形成均匀薄膜，但薄膜质量和晶粒尺寸又不及传统 CVD 或剥离法。

另一方面，WSe₂中的缺陷不仅会降低载流子迁移率，还会在金属接触形成过程中引发强烈的费米能级钉扎效应，导致接触电阻增大，器件呈现双极性传输行为，尤其在单层 WSe₂中更为显著。并且，常规的金属蒸发方法还会在金属 - WSe₂界面引入额外缺陷，进一步损害器件性能。这些问题使得 WSe₂器件的实际表现与理论预期相差甚远，限制了其在高性能电子器件中的应用。

为了攻克这些难题，来自台积电（Taiwan Semiconductor Manufacturing Company）、台湾大学（National Taiwan University）等机构的研究人员展开了深入研究。他们致力于开发一种新的方法，以实现高质量、大面积且低缺陷密度的 WSe₂薄膜生长，并提升 WSe₂晶体管的性能。研究成果发表在《Nature Communications》上，为二维材料在电子领域的应用带来了新的曙光。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用碱辅助化学气相沉积（AACVD）法生长 WSe₂薄膜，通过扫描透射电子显微镜（STEM）和扫描隧道显微镜（STM）对薄膜的缺陷和结构进行原子尺度表征，运用拉曼光谱、光致发光光谱以及二次谐波产生（SHG）测量等技术分析薄膜特性，最后制备背栅晶体管并通过传输长度法（TLM）测量其电学性能。

研究结果如下：

• AACVD 方法及材料表征：研究人员利用碱性的 KOH 与两性蓝宝石表面发生化学反应，生成异质位点，促进 WSe₂成核和生长。在 2 英寸蓝宝石（c 面）上成功制备出均匀的单层 WSe₂薄膜；对具有单向人工台阶的 miscut 蓝宝石进行预处理后，在 C/A 和 C/M 方向的蓝宝石上生长出厘米级的双层 WSe₂薄膜，且双层区域能跨越多个台阶。拉曼光谱和光致发光光谱显示，单层和双层 WSe₂都具有良好的结晶性。
• 缺陷表征和单双层 WSe₂的能带结构：通过 STEM 和 STM 观察，确定主要缺陷类型为硒位点的氧取代（O_se），单层和双层 WSe₂的缺陷密度分别低至 1.6×10¹² cm^-2和 1.8×10¹² cm^-2，与高质量剥离样品相当。STS 测量表明，双层 WSe₂的带隙比单层更小，且其导带边缘比单层低 0.26 eV，有利于电子注入。
• 高性能 P 型和 n 型 WSe₂晶体管：采用范德华铂和银作为 P 型和 n 型金属接触，制备单层和双层背栅晶体管。通过 TLM 测量发现，双层 WSe₂晶体管在空穴和电子迁移率上均优于单层，且接触电阻更低。在 P 型器件中，双层 WSe₂的导通态电导率略有提升；在 n 型器件中，双层 WSe₂的导通态电导率和本征迁移率都显著提高。

研究结论和讨论部分指出，研究人员开发的 AACVD 方法成功实现了高质量、大面积的单层和双层 WSe₂薄膜生长。所制备的薄膜缺陷密度低，且双层 WSe₂晶体管在性能上相较于单层具有明显优势。这一研究成果为未来高性能二维晶体管的发展提供了重要的技术支持和材料基础，有望推动二维材料在电子领域的广泛应用，助力电子器件向更高性能、更小尺寸发展，具有重要的科学意义和应用价值。