南京大學/蘇州實驗室王欣然教授、李濤濤副教授團隊與合作者通過稀土原子對藍寶石襯底表面修飾，在國際上率先突破6英寸二維過渡金屬硫族化合物半導體（以下簡稱二維半導體）單晶量產(chǎn)化制備技術。相關成果以“Robust epitaxy of single-crystal transition-metal dichalcogenides on lanthanum-passivated sapphire”為題，發(fā)表于Science期刊。

研究背景

二維半導體具有原子級厚度，能有效降低晶體管功耗，實現(xiàn)三維異質(zhì)異構集成，是延續(xù)集成電路摩爾定律的首選材料。大尺寸單晶晶圓是集成電路規(guī)?；圃斓幕?021年，王欣然教授團隊通過藍寶石襯底斜切設計，首次報道了2英寸二維半導體單晶生長（Nat. Nanotechnol. 16, 1201-1206 (2021)），證明了大尺寸單晶的可能性。

然而，二維半導體長期難以走出實驗室。實驗室級別的化學氣相沉積（CVD）技術在晶圓尺寸、重復性和均一性等方面難以滿足產(chǎn)業(yè)需求，而金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術雖然具備均勻性和規(guī)?；瘍?yōu)勢，但只能生產(chǎn)多晶材料，無法滿足高端元器件需求。形象地說，單晶就像高速公路，電子在上面可以快速通行；多晶不僅是小路，而且有很多紅綠燈，電子沒走幾步就得減速、拐彎甚至堵車，器件性能自然欠佳。

圖1 鑭修飾的藍寶石襯底上實現(xiàn)二維半導體單晶外延

研究成果概況

藍寶石是理想的產(chǎn)業(yè)化外延襯底，但由于高對稱性，二維半導體存在多個等價方向，拼接時容易產(chǎn)生多晶。該研究的革命性突破在于團隊開發(fā)的稀土原子表面修飾技術——在藍寶石表面構建鑭單原子層。雖然只有一個原子層的厚度，但是卻打破藍寶石表面固有的對稱性，讓二維半導體成核鎖定在同一個方向上，確保了晶疇的單向排列進而長成單晶。該技術解決了長久以來二維半導體制備存在的重復性、穩(wěn)定性以及工藝窗口狹窄等局限，適用于多種材料和多種工藝條件。正是這一創(chuàng)新，將普通的藍寶石襯底“點石成晶”，從根本上解決了二維半導體單晶規(guī)?；苽涞碾y題。

基于量產(chǎn)化的MOCVD技術和鑭表面修飾的藍寶石襯底，團隊一舉實現(xiàn)了6英寸二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）、二硒化鎢（WSe2）和二硒化鉬（MoSe2）等二維半導體單晶的普適制備。多種光譜和電學表征技術證實了優(yōu)異的材料質(zhì)量和均一性，MoS2和WSe2的平均遷移率分別高達110cm2·V-1·s-1和131cm2·V-1·s-1，單晶尺寸、器件性能同步刷新記錄，實現(xiàn)大尺寸與高質(zhì)量兼得。

該工作實現(xiàn)了二維半導體單晶從實驗室技術到量產(chǎn)化技術、從單一材料到多種材料普適性制備的跨越，標志著二維半導體產(chǎn)業(yè)化邁出關鍵一步，為集成電路、顯示、傳感等領域的規(guī)模化應用奠定了材料基礎。韓國科學技術院的Kibum Kang教授在Science發(fā)表評論文章，認為該工作“解決了二維半導體應用于產(chǎn)業(yè)最關鍵的問題”。

圖2 6英寸二維半導體單晶晶圓系列

圖3 基于單晶MoS2的場效應晶體管陣列

論文信息

該研究由南京大學與蘇州實驗室聯(lián)合攻關完成。蘇州實驗室作為材料領域的國家戰(zhàn)略科技力量，不僅匯聚跨學科的頂尖科研力量，為成果提供了核心理論支撐，而且為二維半導體單晶制備、表征與器件工藝提供了一流的平臺保障。

論文第一作者為南京大學-蘇州實驗室聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生鄒茜璐、蘇州實驗室博士研究生趙圓圓和南京大學博士后范東旭。通訊作者為李濤濤副教授、丁峰研究員和王欣然教授。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省基礎研究計劃、姑蘇創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領軍人才等項目的資助，以及未來智能芯片交叉研究中心（雅辰基金）、新基石科學基金會科學探索獎、小米基金的支持。