近日，我國科學家在科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委等項目的支持下，突破單層二硫化鉬8英寸晶圓外延技術。相關成果發表于《先進材料》（Advanced Materials）。
由松山湖材料實驗室、中國科學院物理研究所、北京大學、華南師范大學組成的聯合研究團隊在松山湖材料實驗室研究員張廣宇的指導下，基于已經積累的設備和材料生長經驗，創新性地搭建了一臺8英寸垂直化學氣相沉積系統，并在單晶藍寶石襯底上外延生長了8英寸高定向單層二硫化鉬晶圓。
記者獲悉，所外延的單層二硫化鉬薄膜由兩種反平排布的晶疇無縫拼接而成，在整個8英寸晶圓尺度上保持完整、單層、和一致性，顯示出極高的晶體學質量。基于單層二硫化鉬8英寸晶圓制備的場效應晶體管平均電子遷移率超過50 cm2/V·s，開關比超過107，展示出優異的電學質量。
此外，研究團隊成功實現了基于單層二硫化鉬8英寸晶圓的邏輯電路和11階環形振蕩器的批量制備，器件均表現出優異的電學輸出性能。該工作預期可加速推動二維半導體從實驗室到工廠（lab-to-fab）的進程，為新一代電子技術的發展提供關鍵材料和技術支撐。
以單層二硫化鉬為代表的二維半導體具有極限物理厚度、原子級平整表面、及優異的電學性能，被認為是后摩爾時代突破亞納米技術節點的集成電路溝道材料。相關研究在過去10多年中已經成為材料、物理、和器件研究的前沿。業界先進半導體加工廠也在積極布局和開發基于二維半導體的集成電路技術。
實現大規模二維半導體集成電路的制造，高質量二維半導體晶圓材料是基礎也是關鍵，為器件良率和性能提供重要保障。過去1年中，國際上幾個團隊報道了8-12英寸多晶單層二硫化鉬晶圓制備。多晶中具有密集的晶界，會嚴重影響了材料的空間和電學均勻性，進而造成器件良率和性能的退化。
相比于多晶材料，在單晶襯底上高定向外延的單層二硫化鉬晶圓具有更高的晶體質量和電學性能，在構筑高性能集成器件方面具有優勢。然而，目前實現的高定向外延單層二硫化鉬晶圓最大尺寸記錄為中國科學院物理研究所、張廣宇團隊于2020年發表的4英寸。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202402855
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