二维半导体单晶制备关键技术，实现突破

近日，南京大学科研团队与极钼芯科技在国际顶级学术期刊《Science》上发表了关于二维半导体单晶制备突破性研究的论文，研究实现了全球首次6英寸二维半导体单晶的外延制备。

2D TMDCs被视为是能将半导体技术推进至原子尺度极限的沟道材料。然而，工业应用的前提，单晶体 TMDCs 的规模化制备，至今仍是一项艰巨挑战。这其中的关键是目前缺乏一种能实现单取向 TMDCs 普适性、高稳定性外延生长的衬底。

C面蓝宝石 [Al₂O₃(0001)] 广泛应用于 III-V 族半导体的外延生长，其晶格对称性、可扩展性及成本优势使其成为理想衬底候选。但该衬底顶层表面近乎中心反演对称，会导致 TMDCs 形成反平行畴区与镜像晶界。尽管可通过设计表面台阶打破这种简并态，此类方法仍未满足规模化生产所需的稳定性与均匀性要求。实现规模化生产更可行的策略是：降低 Al₂O₃(0001) 表面层的原子对称性，大幅扩大反平行畴区之间的形成能差异。

研究发现，通过单层镧（La）钝化可打破 Al₂O₃(0001) 表面的原子中心反演对称性，首次实现了直径达 150 毫米的单晶体 TMDCs（包括二硫化钼 MoS₂、二硒化钼 MoSe₂、二硫化钨 WS₂、二硒化钨 WSe₂）的外延生长。

与以往仅适用于特定材料和生长工艺的方法不同，La-Al₂O₃(0001) 衬底具有高稳定性机制：其 P1 表面对称性降低，且反平行畴区间的能量差异大幅提升达 200 倍。这使得通过多种化学气相沉积（CVD）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺可靠生长单晶体 TMDCs 成为可能，为二维半导体的工业化生产奠定基础。

综合表征与器件测试证实，该方法制备的 TMDCs 具有优异的均匀性与质量，且可轻松从衬底剥离并转移至硅片上。基于 n 型 MoS₂和 p 型 WSe₂制备的场效应晶体管，在室温下的平均迁移率分别达到 110 cm²・V⁻¹・s⁻¹ 和 131 cm²・V⁻¹・s⁻¹，为这类材料设立了新的性能标准。

该研究通过衬底工程，建立了一种稳健且普适的晶圆级单晶体 TMDCs 生长路径。La-Al₂O₃(0001) 衬底克服了以往研究在工艺窗口窄、适用材料有限及大面积均匀性差等方面的局限。由于蓝宝石衬底可轻松扩展至 300 毫米尺寸，预计该研究将大幅推动二维半导体进入主流硅基生产线。

编辑Phil Szuromi评论称，通过镧元素对蓝宝石表面进行钝化处理，研究人员实现了晶圆级（15 厘米）过渡金属硫族化合物单晶体的外延生长。单层镧原子可降低蓝宝石表面对称性，使反平行畴区的生长在能量上处于不利状态，进而推动畴区实现单向取向排列。研究团队将二硫化钼薄膜转移至更大尺寸的硅片上，用于制备晶圆级场效应晶体管阵列，这些晶体管具有较高的载流子迁移率。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea0849