來源：【中國科學院】

以二硫化钼為代表的二維半導體材料，因其極限的物理厚度、極佳的柔性/透明性，是解決當前晶體管微縮瓶頸及構築速度更快、功耗更低、柔性透明等新型半導體芯片的一類新材料。近年來，國際上已在單層二硫化钼的晶圓制備及大面積器件構築方面不斷突破，在晶圓質量和器件性能方面逐漸逼近極限。例如，中國科學院物理研究所/北京凝聚态物理國家研究中心納米物理與器件實驗室研究員張廣宇課題組國際上最早發展了藍寶石上高定向外延晶圓尺度單層二硫化钼的技術【ACS Nano2017; 11(12): 12001】，并通過優化外延參數将單層二硫化钼晶體質量和電學質量近一步提高【Nano Lett. 2020; 20(10): 7193】，使晶圓尺寸達到4英寸、晶疇尺寸達到～300 μm、平均電子遷移率達到～80 cm2·V-1·s-1，為國際上報道過的具有最大尺寸和最高電學質量的單層二硫化钼晶圓。

與單層相比，多層二硫化钼的帶隙随着層數的增加逐漸降低，但場效應遷移率和電流密度會随之提高。因此，從提升器件性能角度考慮，多層二硫化钼是更優的材料。但由于熱動力學的基本限制，實現高品質多層二硫化钼晶圓的制備仍具有挑戰。針對多層二硫化钼晶圓制備的挑戰，張廣宇課題組最近發展了一種逐層外延方法，實現了層數可控的多層二硫化钼4英寸晶圓的可控制備，所外延的多層二硫化钼具有極高的晶體學質量和優異的電學性質。相關研究成果以Layer-by-Layer Epitaxy of Multilayer MoS2 Wafers為題，發表在《國家科學評論》上，并被作為亮點介紹。

為了解決晶圓尺度多層二硫化钼逐層外延的問題，張廣宇研究員課題組自主設計和搭建了4英寸多源化學氣相沉積系統，發展了氧輔助的外延技術來調控生長動力學過程，利用藍寶石（001）襯底的近鄰效應克服了熱力學的基本限制和逐層外延的困難，最終實現了4英寸晶圓尺度均勻多層二硫化钼連續薄膜（最高可達6層）的可控逐層外延生長。基于單層、雙層及三層二硫化钼晶圓，科研人員加工了短溝道和長溝道的場效應晶體管器件并表征了器件的性能。電學測量結果表明，100納米溝長的晶體管在驅動電壓Vds=1V時的開态電流密度從單層的0.4 mA·μm-1提高到雙層的0.64 mA·μm-1和三層的0.81 mA·μm-1，分别提高了60%和102.5%。對于40納米溝長的三層二硫化钼短溝道器件，在Vds=2/1/0.65 V時的開态電流密度達到1.70/1.22/0.94 mA·μm-1的電流密度，為已報道的最高值，且具有超過107的開關比，優于國際器件與系統路線圖（IRDS）中高性能邏輯器件的2024年目标。

對于溝長5到50μm的長溝道薄膜晶體管（TFT），雙層和三層二硫化钼的電學質量相比單層得到顯著提高，室溫平均遷移率（最高遷移率）從單層的80 cm2·V-1·s-1（131.6 cm2·V-1·s-1）提高到雙層的110 cm2·V-1·s-1（217.3 cm2·V-1·s-1，提高了65.1%）和三層的145 cm2·V-1·s-1（234.7.6 cm2·V-1·s-1，提高了78.3%），刷新了目前基于二維過渡金屬硫化物半導體器件的最高遷移率記錄。此外，相比于目前發展成熟的铟镓鋅氧化物TFT（遷移率10-40 cm2·V-1·s-1）和低溫多晶矽TFT（遷移率50-100 cm2·V-1·s-1），大于100 cm2·V-1·s-1的平均遷移率揭示了多層二硫化钼薄膜在TFT應用中的潛力。

研究發展了晶圓級高質量多層二硫化钼連續膜的逐層外延技術，為基于二硫化钼薄膜的大規模高性能電子學器件奠定了材料基礎，可有效推動二維半導體材料在TFT、亞10nm超短溝道器件、柔性顯示屏、智能可穿戴器件方面的應用。研究工作得到科技部國家重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項（B類）、廣東省重點領域研發計劃、國家自然科學基金和中科院前沿科學重點研究計劃的資助。

論文鍊接

圖1.四英寸多層MoS2晶圓的逐層外延

圖2.多層MoS2的超高電學質量

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