Wafer-Scale Single-Crystal WSe 2 Monolayers Using Substrate-Passivation-Driven Epitaxy

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作者
Lin-Yun Huang,Yu-Wei Hsu,Fangyuan Zheng,Jiacheng Min,Ni Yang,Haomin Liu,Jiayi Cai,Shao-Heng Chen,Jing-Kai Huang,Zhengtang Luo,Chih-I Wu,Kung-Hwa Wei,L. J. Li,Yi Wan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (2): 2104-2113 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c15115
摘要

Two-dimensional (2D) semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) offer a promising materials platform for next-generation electronic devices, providing ultimate subnanometer thickness control and various functionalities for advanced optoelectronics. Among 2D TMDs, p-type TMDs such as WSe2 are essential for fabricating fully complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) 2D circuits. Nonetheless, achieving wafer-scale, single-orientation p-type WSe2 monolayers is notably elusive compared with n-type MoS2 monolayers. Herein, we report a substrate-passivation-driven epitaxy strategy that produces a 98.44% single-orientation WSe2 monolayer on two-inch C-plane sapphire, surpassing previous benchmarks of around 82–87% ratios for single-orientation large-area p-type TMDs. By precisely tailoring the introduction sequence of H2 gas and Se vapor for in situ substrate treatment, we engineered an AlOSe2–Se-passivated sapphire surface that stabilizes the as-grown WSe2 monolayer with a predominantly 30° single orientation. Optical and electrical characterization results corroborate the structural uniformity of the WSe2 monolayers and the consistency of their device performance across wafer-scale transistor arrays. By advancing the epitaxial growth mechanism of oriented WSe2 monolayer on sapphire, we establish this passivation-driven epitaxy strategy that can be used as a robust materials platform for scalable, single-orientation p-type TMD monolayers, bridging the performance gap between n-type and p-type 2D semiconductors for next-generation electronic and optoelectronic devices.
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