[论文解读] Heteroepitaxial growth of high optical quality, wafer-scale van der Waals heterostrucutres

Katarzyna Ludwiczak, Aleksandra K. Dąbrowska+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2021

2D Materials and Applications参考文献 67被引用 31

一句话总结

本研究展示了一种混合MOVPE-MBE外延生长方法，可在2英寸蓝宝石衬底上的外延hBN衬底上直接生长出大面积、高光学质量的MoSe2单层。该技术在整块衬底上实现了窄而清晰的激子峰，光致发光谱中能量偏差仅为±0.14 meV，证明了大面积范德华异质结构具有极高的均匀性和光学质量。

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenides (TMDs) are materials that can exhibit intriguing optical properties like a change of the bandgap from indirect to direct when being thinned down to a monolayer. Well-resolved narrow excitonic resonances can be observed for such monolayers, however only for materials of sufficient crystalline quality, so far mostly available in the form of micrometer-sized flakes. A further significant improvement of optical and electrical properties can be achieved by transferring the TMD on hexagonal boron nitride (hBN). To exploit the full potential of TMDs in future applications, epitaxial techniques have to be developed that not only allow to growlarge-scale, high-quality TMD monolayers, but allow to perform the growth directly on large-scale epitaxial hBN. In this work we address this problem and demonstrate that MoSe2 of high optical quality can be directly grown on epitaxial hBN on an entire two-inch wafer. We developed a combined growth theme for which hBN is first synthesized at high temperature by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) and as a second step MoSe2 is deposited on top by Molecular Beam Epitaxy (MBE) at much lower temperatures. We show that this structure exhibits excellent optical properties, manifested by narrow excitonic lines in the photoluminescence spectra. Moreover, the material is homogeneous on the area of the whole two-inch wafer, with only +/-0.14 meV deviation of excitonic energy. Our mixed growth technique may guide the way for future large-scale production of high quality TMD/hBN heterostructures.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的外延方法，用于在大面积衬底上生长高质量过渡金属二硫属化合物（TMDs）。
• 通过在外延六方氮化硼（hBN）上直接进行外延生长，克服机械剥离和后处理转移工艺的局限性，实现TMDs在衬底上的大面积生长。
• 通过将MOVPE生长的hBN与MBE沉积的MoSe2结合，实现MoSe2单层的高光学质量。
• 在整块2英寸衬底上实现均匀、高质量的范德华异质结构，以支持可扩展的光电器件应用。

提出的方法

• 首先，采用金属有机物化学气相外延（MOVPE）在2英寸蓝宝石衬底上生长高质量hBN层（厚度1–13.6 nm），采用两种生长模式：连续流生长（CFG）和两步外延。
• 两步外延模式通过结合CFG缓冲层与脉冲氨气及三乙基硼烷（TEB）流量切换，实现了厚度超过6 nm且结构质量优异的hBN层。
• 随后，采用分子束外延（MBE）在MOVPE-hBN衬底上于较低温度下生长MoSe2单层，优化了生长和退火循环工艺。
• 测试了三种MBE生长变体：长时间生长（MoSe2A）、快速生长结合单次退火（MoSe2B）以及多周期生长结合分步加热（MoSe2C）。
• 通过低温光致发光、拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外反射光谱、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）以及聚焦离子束（FIB）截面制备的透射电子显微镜（TEM）对光学和结构特性进行了表征。
• 在室温下对整块2英寸衬底进行了光致发光和拉曼光谱映射，以评估空间均匀性和光学质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过混合外延方法，在大面积外延hBN衬底上直接生长出高光学质量的MoSe2单层？
• RQ2 hBN厚度和生长模式（CFG与两步法）对后续生长的MoSe2的光学和结构质量有何影响？
• RQ3 通过该方法，MoSe2/hBN异质结构在2英寸衬底上的光学性能能在多大程度上实现均匀化？
• RQ4 能否在大面积异质结构中实现分辨良好、线宽窄的激子峰，其性能可与机械剥离微小薄片相媲美？

主要发现

• 混合MOVPE-MBE方法成功在2英寸蓝宝石衬底上实现了大面积MoSe2/hBN异质结构，且具有高光学质量。
• 低温光致发光谱显示清晰分辨的中性A-激子和三激子峰，表明晶体质量高且缺陷密度低。
• 整个2英寸衬底上激子能量的标准偏差仅为±0.14 meV，证实了极高的均匀性。
• 室温下光致发光映射显示峰宽为67.9 ± 6.1 meV，能量为1569.1 ± 2.1 meV，标准偏差低，表明光学响应高度均匀。
• X0A激子峰宽分布的标准偏差为24.04 ± 0.84 meV，XC峰宽为21.5 ± 1.8 meV，进一步证实了光学性质的一致性。
• TEM和AFM分析证实了优异的结构质量，表面缺陷极少，层厚均匀，即使在较厚hBN样品中亦如此。