物理所成功制备单层MoS2晶圆，将推动二维半导体材料的研究发展进程

本期为大家介绍的是中国科学院物理研究所在高质量二维半导体材料研究领域获得的新进展，张广宇课题组以自主设计搭建的CVD设备在蓝宝石衬底上外延制备了四英寸连续单层二硫化钼晶圆，其晶圆具有目前国际上报道中最高的电子学质量，将推动二维半导体材料的研究发展进程，为给学界成果落地柔性电子产品注入新的动力。

研究背景

有心的朋友会发现，从手机到各类智能穿戴，各类新产品在尺寸较之前未发生较大增加甚至有所缩小的情况下，却具备了更强大更复杂的功能，这得益于晶体管制备技术的不断发展下带来的电路集成度的提高。在这种半导体器件不断小型化和柔性化的趋势下，以二硫化钼（MoS2）等过渡金属硫属化合物（TMDC）为代表的二维半导体材料显示出独特优势，具有超薄厚度（单原子层或层数较少的多原子层）和优异的电学、光学、机械性能及多自由度可调控性，使其在未来更轻、更薄、更快、更灵敏的电子学器件中具有优势。

然而，现阶段以器件应用为背景的单层MoS2研究仍存在着关键问题：制备工艺不完善，如何获得高质量大尺度的MoS2晶圆？这是新型半导体材料从实验室走向市场要经历的共性问题，若能解决其高质量规模化制备的关键科学障碍，将推动二维半导体材料的应用发展进程，给柔性电子产业注入新的发展动力。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张广宇课题组致力于高质量二维材料的外延、能带调控、复杂结构叠层、功能电子器件和光电器件的研究采用自主设计的新型CVD设备实现了高质量连续单层MoS2晶圆制备。相关研究成果于近期以“Wafer-Scale Highly Oriented Monolayer MoS2 with Large Domain Sizes”为题发表于微纳研究领域顶级期刊《Nano Letters》，博士研究生王琴琴为论文第一作者，物理所研究员张广宇为论文通讯作者。

基本特性

研究团队利用自主设计搭建的四英寸多源化学气相沉积设备，采用立式生长方法在蓝宝石衬底上外延制备四英寸高质量连续单层MoS2晶圆，所外延的高质量薄膜由高定向（0°和60°）的大晶粒（平均晶粒尺寸大于100 μm）拼接而成。在高定向的薄膜中，高分辨透射电子显微镜观测到近乎完美的4|4E型晶界。

原理与测试

上图为单层MoS2的晶圆生长示意图，图(a)为多源CVD设备搭建示意图，图(b)为4英寸晶圆成品的俯视图，图(c)-图(e)图为不同观测时间点下，MoS2在蓝宝石表面生长的光学图像，O2流率为~10sccm（标准毫升/分钟）。

单层MoS2薄膜的结构表征，图(a)为原子力显微镜形貌图，图(b)为薄膜的荧光显微镜图像，图(c)为MoS2畴界区域的STEM形貌像，图(d)为图(c)中矩形区域的放大图像，图(e)为一个晶粒尺寸范围的STEM形貌图，图(f)为单层膜的选区电子衍射图像。

合成的二硫化钼单层的片级均匀性监测，图(a,b,e)为典型拉曼光谱和/PL（光致发光）线扫描沿直径方向映射的彩色编码图像，图(c,f)是晶圆上随机选取的四个位置对应的拉曼/PL光谱。

单层MoS2薄膜的电特性测试，图(a,b)为典型场效应晶体管的输出/传输特性曲线，图(c)为通/断比变化图像，图(d)为随机100个MoS2场效应管的迁移率统计分布，图(f)为电压转移特性逆变器的和相应的电压增益的转移曲线，图(g,h,i)为MoS2搭建与非门、或非门、与门的输出特性测试。

前景展望

得益于多源设计，本成果所制备的晶圆具有目前国际上报道中最高的电子学质量，实现高质量单层MoS2晶圆的制备将会促进MoS2器件制备技术的进一步突破和柔性电子器件研究成果的成熟，为大面积柔性电子器件的发展提供新的思路与技术基础，预计可有效推动二维半导体材料在柔性显示屏、智能可穿戴器件方面的应用，也许各类薄如纸张的柔性电子产品也会因此在不就的未来出现在我们的双十一购物单里面呢。

论文全文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02531

责任编辑：xj

原文标题：科研前线 | 物理所成功制备单层MoS2晶圆，电子学质量为国际最高

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