【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】國家 “十五五” 規(guī)劃將半導體列為戰(zhàn)略核心領域。二維半導體是延續(xù)集成電路摩爾定律、實現(xiàn)先進制程的關鍵材料，也是我國開辟新賽道的重要機遇。南京大學-蘇州實驗室王欣然、李濤濤團隊與東南大學王金蘭團隊合作，開發(fā)了全新的氧輔助金屬有機化學氣相沉積(oxy-MOCVD)技術，解決了二維半導體量產(chǎn)化制備的動力學瓶頸。相關成果以“氧輔助金屬有機化學氣相沉積加速二硫化鉬動力學生長”(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。這是該團隊繼2025年10月在Science發(fā)表成果后取得的又一重大突破，標志著二維半導體產(chǎn)業(yè)化技術邁入全新階段。
 

　　隨著晶體管尺寸微縮逼近物理極限，短溝道效應導致的性能退化使傳統(tǒng)硅基技術面臨前所未有的挑戰(zhàn)。原子級厚度的二維半導體因其優(yōu)異的電學特性，被視為后摩爾時代最具潛力的非硅新材料。臺積電、英特爾、IMEC等全球主要半導體企業(yè)與研究機構均加速布局二維半導體研發(fā)，推動其從實驗室走向產(chǎn)線。
 

　　然而，二維半導體的產(chǎn)業(yè)化制備長期以來面臨兩大挑戰(zhàn)。一方面，需要大尺寸、低對稱性的襯底作為外延模板，保證薄膜的定向生長。2025年10月，該團隊報道“稀土原子點石成晶”技術，一舉解決了外延襯底問題(Science 390, eaea0849 (2025))。另一方面，二維材料的原子級厚度使其對生長動力學極其敏感。產(chǎn)業(yè)化MOCVD技術長期受困于晶疇小、速率低、碳污染嚴重等問題，其根源在化學反應動力學限制：1.金屬有機源熱解生成的金屬原子遷移弱，制約晶疇橫向尺寸；2. 硫氫/有機硫脫氫脫碳勢壘高，導致生長速率慢，同時引入碳雜質(zhì)。因此，理性設計前驅(qū)體，破解動力學瓶頸，是二維半導體走向產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路。
 

　　研究成果概況
 

　　針對上述難題，團隊提出全新解決方案：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。進一步開發(fā)oxy-MOCVD技術，通過引入氧氣，在高溫下與前驅(qū)體充分預反應，生成高純度和高活性反應中間體，實現(xiàn)了生長動力學的精準調(diào)控。相比傳統(tǒng)反應路徑，反應能壘從2.02 eV降至1.15 eV，顯著提升反應動力學速率；同時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的外延生長筑牢根基。
 

　　研究團隊在前期研發(fā)的藍寶石斜切襯底(Nature Nanotechnol., 16, 1201 (2021))的基礎上實現(xiàn)多項突破：通過oxy-MOCVD技術成功實現(xiàn)百微米級MoS2晶疇定向外延，晶疇面積相較傳統(tǒng)MOCVD技術實現(xiàn)5個數(shù)量級以上的跨越，生長速率提升2-3個數(shù)量級；所制備的MoS2未檢測到任何碳元素特征信號，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)信號強度較傳統(tǒng)MOCVD技術制備的樣品提升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，也超越了實驗室級別CVD與機械剝離制備的小尺寸材料。
 

　　為了驗證oxy-MOCVD技術的產(chǎn)業(yè)化潛力，團隊制備了6英寸MoS2單晶晶圓，表征結果證明晶圓范圍內(nèi)材料質(zhì)量與均勻性保持超高水準。團隊利用人工智能圖像識別技術對6英寸范圍光學顯微鏡視頻進行晶疇取向?qū)崟r分析，結果顯示單向取向比例接近100%?；贛oS2制備的場效應晶體管，室溫遷移率平均達到101.3 cm2·V-1·s-1，最高達到122.9 cm2·V-1·s-1，開關比達109，刷新了產(chǎn)業(yè)化技術制備的二維半導體性能紀錄，實現(xiàn)了實驗室高質(zhì)量材料與工業(yè)級規(guī)模化制備的完美融合。
 

　　該成果與團隊2025年發(fā)表的“點石成晶”技術共同構建了“襯底工程+動力學調(diào)控”完整技術路線，為二維半導體量產(chǎn)化提供核心支撐，將加速其在埃米級集成電路等領域的應用進程，為我國在下一代半導體技術競爭中構筑核心優(yōu)勢。
 

　　論文第一作者為蘇州實驗室博士后劉蕾、王玉樹、董瑞康與南京大學集成電路學院博士后范東旭，通訊作者為王欣然、李濤濤與王金蘭，南京大學施毅院士對本工作進行了全程指導。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、基礎學科和交叉學科突破計劃、國家資助博士后研究人員計劃和中國博士后科學基金、江蘇省基礎研究計劃、江蘇省卓越博士后計劃、姑蘇創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領軍人才等項目的資助，以及未來智能芯片交叉研究中心(雅辰基金)、新基石科學基金會所設立的科學探索獎、小米基金的支持。