本期為大家介紹的是中國科學院物理研究所在高質量二維半導體材料研究領域獲得的新進展，張廣宇課題組以自主設計搭建的CVD設備在藍寶石襯底上外延制備了四英寸連續單層二硫化鉬晶圓，其晶圓具有目前國際上報道中最高的電子學質量，將推動二維半導體材料的研究發展進程，為給學界成果落地柔性電子產品注入新的動力。

研究背景

有心的朋友會發現，從手機到各類智能穿戴，各類新產品在尺寸較之前未發生較大增加甚至有所縮小的情況下，卻具備了更強大更復雜的功能，這得益于晶體管制備技術的不斷發展下帶來的電路集成度的提高。在這種半導體器件不斷小型化和柔性化的趨勢下，以二硫化鉬（MoS2）等過渡金屬硫屬化合物（TMDC）為代表的二維半導體材料顯示出獨特優勢，具有超薄厚度（單原子層或層數較少的多原子層）和優異的電學、光學、機械性能及多自由度可調控性，使其在未來更輕、更薄、更快、更靈敏的電子學器件中具有優勢。

然而，現階段以器件應用為背景的單層MoS2研究仍存在著關鍵問題：制備工藝不完善，如何獲得高質量大尺度的MoS2晶圓？這是新型半導體材料從實驗室走向市場要經歷的共性問題，若能解決其高質量規模化制備的關鍵科學障礙，將推動二維半導體材料的應用發展進程，給柔性電子產業注入新的發展動力。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心張廣宇課題組致力于高質量二維材料的外延、能帶調控、復雜結構疊層、功能電子器件和光電器件的研究采用自主設計的新型CVD設備實現了高質量連續單層MoS2晶圓制備。相關研究成果于近期以“Wafer-Scale Highly Oriented Monolayer MoS2 with Large Domain Sizes”為題發表于微納研究領域頂級期刊《Nano Letters》，博士研究生王琴琴為論文第一作者，物理所研究員張廣宇為論文通訊作者。

基本特性

研究團隊利用自主設計搭建的四英寸多源化學氣相沉積設備，采用立式生長方法在藍寶石襯底上外延制備四英寸高質量連續單層MoS2晶圓，所外延的高質量薄膜由高定向（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，高分辨透射電子顯微鏡觀測到近乎完美的4|4E型晶界。

原理與測試

上圖為單層MoS2的晶圓生長示意圖，圖(a)為多源CVD設備搭建示意圖，圖(b)為4英寸晶圓成品的俯視圖，圖(c)-圖(e)圖為不同觀測時間點下，MoS2在藍寶石表面生長的光學圖像，O2流率為~10sccm（標準毫升/分鐘）。

單層MoS2薄膜的結構表征，圖(a)為原子力顯微鏡形貌圖，圖(b)為薄膜的熒光顯微鏡圖像，圖(c)為MoS2疇界區域的STEM形貌像，圖(d)為圖(c)中矩形區域的放大圖像，圖(e)為一個晶粒尺寸范圍的STEM形貌圖，圖(f)為單層膜的選區電子衍射圖像。

合成的二硫化鉬單層的片級均勻性監測，圖(a,b,e)為典型拉曼光譜和/PL（光致發光）線掃描沿直徑方向映射的彩色編碼圖像，圖(c,f)是晶圓上隨機選取的四個位置對應的拉曼/PL光譜。

單層MoS2薄膜的電特性測試，圖(a,b)為典型場效應晶體管的輸出/傳輸特性曲線，圖(c)為通/斷比變化圖像，圖(d)為隨機100個MoS2場效應管的遷移率統計分布，圖(f)為電壓轉移特性逆變器的和相應的電壓增益的轉移曲線，圖(g,h,i)為MoS2搭建與非門、或非門、與門的輸出特性測試。

前景展望

得益于多源設計，本成果所制備的晶圓具有目前國際上報道中最高的電子學質量，實現高質量單層MoS2晶圓的制備將會促進MoS2器件制備技術的進一步突破和柔性電子器件研究成果的成熟，為大面積柔性電子器件的發展提供新的思路與技術基礎，預計可有效推動二維半導體材料在柔性顯示屏、智能可穿戴器件方面的應用，也許各類薄如紙張的柔性電子產品也會因此在不就的未來出現在我們的雙十一購物單里面呢。

論文全文鏈接：

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

責任編輯：xj

原文標題：科研前線 | 物理所成功制備單層MoS2晶圓，電子學質量為國際最高

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