我国学者在双层二维半导体外延生长方面取得进展

在国家自然科学基金项目(批准号: 21903014,22033002, 61734003, 61851401, 61861166001,61927808,91964202)等资助下，东南大学王金兰教授团队与南京大学王欣然教授团队合作，通过边缘成核和外延在蓝宝石衬底上生长出了可扩展、高度定向、均匀的厘米尺度的双层二硫化钼(MoS₂)薄膜，相关研究成果以“双层二硫化钼在蓝宝石上的均匀成核与外延生长(Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire)”为题，于2022年5月4日在线发表于《自然》(Nature)上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04523-5。

随着微电子芯片集成度的不断提高，硅基半导体晶体管微缩工艺逐渐逼近其物理极限。近年来，以MoS₂为代表的二维半导体材料因兼具高迁移率、超大比表面积、柔性、平面易集成等特点，被视为后硅时代延续摩尔定律的理想候选材料之一。相比于单层MoS₂的局限，双层 MoS₂具有更高的载流子迁移率、更大的驱动电流而更适合应用于高性能计算。然而，由于衬底与MoS₂表面强相互作用的热力学限制，传统表面外延生长只能通过“1+1=2”的逐层生长模式获得双层MoS₂，但存在着诸多问题，如生长时长的不一致、成核位点的随机分布、以及层数均匀性差和薄膜不连续等。因此，实现层数可控的二维半导体外延制备是当前科学研究最为迫切的难题。

研究团队基于前期利用外延衬底原子台阶边缘成核机制实现单层MoS₂单取向成核生长晶圆级单晶的研究基础，进一步提出了利用外延衬底高原子台阶(~1.4 nm)实现双层MoS₂边缘对齐成核的新机制。基于新机制，研究团队利用高温退火工艺，在蓝宝石表面上获得了均匀分布的高原子台阶，成功获得了超过99%的双层MoS₂形核，并实现了厘米级的双层MoS₂连续薄膜的可控生长。进一步地，制造了双层MoS₂沟道的场效应晶体管(FET)器件阵列，该器件均一性得到了大幅度提升。电学性能评估表明，双层MoS₂器件的迁移率相比于单层MoS₂提升了37.9%，高达~122.6 cm²V^-1S^-1；开态电流高达1.27 mA/μm，是现有文献报道二维半导体器件的最高值。

该研究工作不仅突破了大面积均匀双层MoS₂的层数可控外延生长技术瓶颈，实现了最高性能的MoS₂晶体管器件，而且所提出的层数可控生长新机制有望进一步拓展至其它二维材料体系的外延生长。

图. 双层MoS₂层数可控外延生长新机制与器件性能。