【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】國(guó)家 “十五五” 規(guī)劃將半導(dǎo)體列為戰(zhàn)略核心領(lǐng)域。二維半導(dǎo)體是延續(xù)集成電路摩爾定律、實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制程的關(guān)鍵材料，也是我國(guó)開辟新賽道的重要機(jī)遇。南京大學(xué)-蘇州實(shí)驗(yàn)室王欣然、李濤濤團(tuán)隊(duì)與東南大學(xué)王金蘭團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了全新的氧輔助金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(oxy-MOCVD)技術(shù)，解決了二維半導(dǎo)體量產(chǎn)化制備的動(dòng)力學(xué)瓶頸。相關(guān)成果以“氧輔助金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積加速二硫化鉬動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)”(Kinetic acceleration of MoS2 growth by oxy-metal-organic chemical vapor deposition)為題于2026年1月30日發(fā)表在Science。這是該團(tuán)隊(duì)繼2025年10月在Science發(fā)表成果后取得的又一重大突破，標(biāo)志著二維半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化技術(shù)邁入全新階段。
 

　　隨著晶體管尺寸微縮逼近物理極限，短溝道效應(yīng)導(dǎo)致的性能退化使傳統(tǒng)硅基技術(shù)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。原子級(jí)厚度的二維半導(dǎo)體因其優(yōu)異的電學(xué)特性，被視為后摩爾時(shí)代最具潛力的非硅新材料。臺(tái)積電、英特爾、IMEC等全球主要半導(dǎo)體企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)均加速布局二維半導(dǎo)體研發(fā)，推動(dòng)其從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)線。
 

　　然而，二維半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化制備長(zhǎng)期以來面臨兩大挑戰(zhàn)。一方面，需要大尺寸、低對(duì)稱性的襯底作為外延模板，保證薄膜的定向生長(zhǎng)。2025年10月，該團(tuán)隊(duì)報(bào)道“稀土原子點(diǎn)石成晶”技術(shù)，一舉解決了外延襯底問題(Science 390, eaea0849 (2025))。另一方面，二維材料的原子級(jí)厚度使其對(duì)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)極其敏感。產(chǎn)業(yè)化MOCVD技術(shù)長(zhǎng)期受困于晶疇小、速率低、碳污染嚴(yán)重等問題，其根源在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)限制：1.金屬有機(jī)源熱解生成的金屬原子遷移弱，制約晶疇橫向尺寸；2. 硫氫/有機(jī)硫脫氫脫碳勢(shì)壘高，導(dǎo)致生長(zhǎng)速率慢，同時(shí)引入碳雜質(zhì)。因此，理性設(shè)計(jì)前驅(qū)體，破解動(dòng)力學(xué)瓶頸，是二維半導(dǎo)體走向產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路。
 

　　研究成果概況
 

　　針對(duì)上述難題，團(tuán)隊(duì)提出全新解決方案：首次采用無氫、低碳的二硫化碳(CS2)作為硫源，從源頭減少雜質(zhì)引入。進(jìn)一步開發(fā)oxy-MOCVD技術(shù)，通過引入氧氣，在高溫下與前驅(qū)體充分預(yù)反應(yīng)，生成高純度和高活性反應(yīng)中間體，實(shí)現(xiàn)了生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的精準(zhǔn)調(diào)控。相比傳統(tǒng)反應(yīng)路徑，反應(yīng)能壘從2.02 eV降至1.15 eV，顯著提升反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率；同時(shí)從根源上抑制含碳中間體的形成，避免碳污染，為大面積、高質(zhì)量、高均勻性MoS2的外延生長(zhǎng)筑牢根基。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)在前期研發(fā)的藍(lán)寶石斜切襯底(Nature Nanotechnol., 16, 1201 (2021))的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)突破：通過oxy-MOCVD技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)百微米級(jí)MoS2晶疇定向外延，晶疇面積相較傳統(tǒng)MOCVD技術(shù)實(shí)現(xiàn)5個(gè)數(shù)量級(jí)以上的跨越，生長(zhǎng)速率提升2-3個(gè)數(shù)量級(jí)；所制備的MoS2未檢測(cè)到任何碳元素特征信號(hào)，證明氧氣調(diào)控策略從根源上消除碳污染；樣品的室溫光致發(fā)光(PL)信號(hào)強(qiáng)度較傳統(tǒng)MOCVD技術(shù)制備的樣品提升20倍以上。上述表征證明該方法制備的MoS2在純度與質(zhì)量上不僅顯著優(yōu)于傳統(tǒng)MOCVD材料，也超越了實(shí)驗(yàn)室級(jí)別CVD與機(jī)械剝離制備的小尺寸材料。
 

　　為了驗(yàn)證oxy-MOCVD技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化潛力，團(tuán)隊(duì)制備了6英寸MoS2單晶晶圓，表征結(jié)果證明晶圓范圍內(nèi)材料質(zhì)量與均勻性保持超高水準(zhǔn)。團(tuán)隊(duì)利用人工智能圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)6英寸范圍光學(xué)顯微鏡視頻進(jìn)行晶疇取向?qū)崟r(shí)分析，結(jié)果顯示單向取向比例接近100%?；贛oS2制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，室溫遷移率平均達(dá)到101.3 cm2·V-1·s-1，最高達(dá)到122.9 cm2·V-1·s-1，開關(guān)比達(dá)109，刷新了產(chǎn)業(yè)化技術(shù)制備的二維半導(dǎo)體性能紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室高質(zhì)量材料與工業(yè)級(jí)規(guī)?；苽涞耐昝廊诤?。
 

　　該成果與團(tuán)隊(duì)2025年發(fā)表的“點(diǎn)石成晶”技術(shù)共同構(gòu)建了“襯底工程+動(dòng)力學(xué)調(diào)控”完整技術(shù)路線，為二維半導(dǎo)體量產(chǎn)化提供核心支撐，將加速其在埃米級(jí)集成電路等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程，為我國(guó)在下一代半導(dǎo)體技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中構(gòu)筑核心優(yōu)勢(shì)。
 

　　論文第一作者為蘇州實(shí)驗(yàn)室博士后劉蕾、王玉樹、董瑞康與南京大學(xué)集成電路學(xué)院博士后范東旭，通訊作者為王欣然、李濤濤與王金蘭，南京大學(xué)施毅院士對(duì)本工作進(jìn)行了全程指導(dǎo)。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、基礎(chǔ)學(xué)科和交叉學(xué)科突破計(jì)劃、國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃和中國(guó)博士后科學(xué)基金、江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃、江蘇省卓越博士后計(jì)劃、姑蘇創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才等項(xiàng)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(xué)基金會(huì)所設(shè)立的科學(xué)探索獎(jiǎng)、小米基金的支持。