半导体外延异质结是现代电子学和光电子学的基础。二维（2D）过渡金属硫族化合物（TMDs）由于其超薄的晶体结构、优异的电子学特性、表面无悬挂键且易于集成等优势，成为下一代半导体的重要候选材料。此外，2D TMDs 在异质构建过程中具有高度的灵活性，能够实现丰富的异质构成，为未来电子学发展提供全新可能。但截至目前，2D TMDs 材料的面内异质结阵列结构难以实现，而这是器件应用并实现集成化电路的材料基础。其原因在于2D TMDs 晶体加工与当前的传统工艺不兼容，传统工艺难以实现原子级洁净界面，使得原子级面内外延难以实现；同时高精准外延控制一直是二维2D TMDs 高效合成的瓶颈。因此，发展全新的加工手段，应用系统外延策略实现阵列化面内异质结非常重要。

湖南大学段曦东教授（通讯作者）课题组报告了一种通过激光加工-热刻蚀联合精准外延的系统性制造策略，制备了2D TMDs 横向异质结构阵列。通过发展二维材料激光制造缺陷-热刻蚀技术，有力避免了传统光刻加工工艺中的界面吸附问题以及传统刻蚀工艺中的残留问题。该加工方式展现了高度稳定和可调的加工精度，结合精准的多气流外延合成技术，可控制备了2D TMDs 横向异质阵列（图1）。具体来讲，TMDs 材料在经使用传统方式的图案化加工步骤后会在界面处出现杂质基团的吸附污染，同时采用氧等离子等传统刻蚀技术难以实现原子级加工精度的材料边缘，这对原子级的外延生长是极为不利的。为了消除传统工艺的不利影响，研究人员通过发展全新的激光制造缺陷的工艺与热刻蚀工艺，实现了边缘界面的原子级洁净。再利用反向气流外延合成技术，实现另一种TMDs 材料在原2D晶体的边缘精准横向成核与外延。通过精确控制激光制造缺陷位点、热刻蚀温度和时间，2D TMDs 横向异质阵列的形态与图案可以得到完美控制。通过高分辨球差透射电子显微镜展示了异质结高度清晰的原子级尖锐的异质界面，同时利用光致发光光谱展示了因晶格失配所带来的应力的调制（图2），这些发现将为后期研究异质结构打下坚实基础。该研究为2D TMDs 横向异质阵列制造方法提供了全新的思路，并为复杂和原子级薄的二维超晶格，超薄器件与二维集成电子电路提供了一个崭新的材料研究平台。相关论文以“Endoepitaxial growth of monolayer mosaic heterostructures”为题于2022年4月18日发表在国际顶级期刊 Nature Nanotechnology 上。

图1. 单层镶嵌式二维WS2-WSe2异质阵列的合成步骤示意图。a. CVD合成单层WS2；b. 激光刻蚀得到具有周期性缺陷阵列的WS2；c. 各向异性热刻蚀获得具有周期性三角形空洞阵列的WS2；d. 镶嵌外延生长得到单层镶嵌式WS2-WSe2异质阵列。

图2. WS2-MoS2（左），WS2-WSe2（右）镶嵌式二维异质阵列的光学照片、原子力显微镜和光谱（拉曼光谱、拉曼成像、荧光光谱及荧光成像）表征。

湖南大学段曦东教授是该工作的通讯作者，中南大学张正伟特聘教授、湖南大学博士研究生黄子为、湖南大学副教授李佳是该工作的第一作者，该工作的主要合作者还包括加州大学洛杉矶分校的段镶锋教授、湖南大学刘松教授、中国科技大学林岳研究员，等等。该研究工作是关于合成二维面内异质阵列的首次公开报道，突破了二维面内异质集成这一瓶颈，有望推动二维集成电路的发展。

该工作得到了国家自然科学基金、国家双一流经费等项目的资助。

来源：半导体学报公众号