Zweidimensionale Übergangsmetalldichalkogenide wie WS2 und MoS2 gelten als vielversprechende Kanalmaterialien für zukünftige Transistorgenerationen jenseits von Silizium, da sie auch bei atomarer Dicke stabile elektronische Eigenschaften behalten. Ein zentrales Hindernis für die praktische Anwendung war bislang die Herstellung großflächiger, einkristalliner Monolagen mit reproduzierbarer Qualität, da das epitaktische Wachstum auf konventionellen Substraten meist zu polykristallinen Filmen mit Korngrenzen führt.

Forscher der Peking University und der Chinese Academy of Sciences präsentieren nun eine Strategie zur gezielten Oberflächenmodifikation von kommerziell erhältlichem C- und M-Saphir. Dabei werden dieselben Metallelemente, die später auch im aufwachsenden 2D-Material vorkommen, also Wolfram oder Molybdän sowie zusätzlich Aluminium, zur Vorbehandlung der Substratoberfläche eingesetzt. Diese homo-metallische Modifikation soll die Nukleationsdichte und -orientierung so steuern, dass sich einzelne Domänen beim Wachstum nahtlos zu einem durchgehenden Einkristall zusammenfügen.

Ergebnisse im Wafermaßstab

Mit diesem Ansatz gelang es dem Team, einkristalline Monolagen aus WS2 beziehungsweise MoS2 auf 2-Zoll-Saphirwafern zu erzeugen. Die epitaktische Ausrichtung wird dabei über den gesamten Wafer hinweg aufrechterhalten, was für elektronische Bauelemente wichtig ist, da Korngrenzen typischerweise Ladungsträgerbeweglichkeit und Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

Die Arbeit reiht sich in die wachsende Zahl von Ansätzen ein, die 2D-Materialien näher an eine industrietaugliche Fertigung heranführen wollen. Für die Halbleiterbranche ist besonders relevant, dass die verwendeten Substrate und Prozessschritte kompatibel mit bestehender Epitaxie-Infrastruktur sind, was den Übergang von Laborergebnissen zu skalierbaren Fertigungsprozessen erleichtern könnte.