如何實(shí)現(xiàn)批量化、大尺寸、低成本制備二維半導(dǎo)體晶圓是亟待解決的科學(xué)問題。

近日，《科學(xué)通報(bào)》以《模塊化局域元素供應(yīng)技術(shù)批量制備12英寸過渡金屬硫族化合物》為題，在線發(fā)表了松山湖材料實(shí)驗(yàn)室/北京大學(xué)教授劉開輝、中國科學(xué)院院士王恩哥團(tuán)隊(duì)，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院物理研究所研究員張廣宇團(tuán)隊(duì)及合作者最新研究成果。

該研究提出模塊化局域元素供應(yīng)生長技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體性二維過渡金屬硫族化合物晶圓批量化高效制備，晶圓尺寸可從2英寸擴(kuò)展至與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝兼容的12英寸，有望推動(dòng)二維半導(dǎo)體材料由實(shí)驗(yàn)研究向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用過渡，為新一代高性能半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展奠定了材料基礎(chǔ)。

a. 過渡金屬硫族化合物晶圓批量化制備裝置及示意圖；b. 單批次制備15片2英寸MoS2晶圓；c. 350-mm管徑自動(dòng)控制化學(xué)氣相沉積管式爐；d. 2-12英寸MoS2晶圓照片；e. 單批次制備3片12英寸MoS2晶圓。

近年來，二維過渡金屬硫族化合物是最具應(yīng)用前景的二維半導(dǎo)體材料體系之一，具備層數(shù)依賴的可調(diào)帶隙、自旋-谷鎖定特性、超快響應(yīng)速度、高載流子遷移率、高比表面積等優(yōu)異的物理性質(zhì)，有望推動(dòng)新一代高性能電子、光電子器件變革性技術(shù)應(yīng)用。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體發(fā)展路線類似，晶圓材料是推動(dòng)二維半導(dǎo)體技術(shù)邁向產(chǎn)業(yè)化的根基。如何實(shí)現(xiàn)批量化、大尺寸、低成本制備二維半導(dǎo)體晶圓是亟待解決的科學(xué)問題。

自2016年以來，北京大學(xué)物理學(xué)院劉開輝教授、俞大鵬院士、王恩哥院士等針對(duì)二維材料生長問題開展了系統(tǒng)研究，逐步發(fā)展出一套大尺寸二維材料的原子制造通用技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了以米級(jí)石墨烯（Science Bulletin 2017, 62, 1074）、分米級(jí)六方氮化硼（Nature 2019, 570, 91）、晶圓級(jí)過渡金屬硫族化合物（Nature Nanotechnology 2022, 17, 33；Nature Communications 2022, 13, 1007）為代表的大尺寸二維單晶材料調(diào)控生長及30余種A4尺寸高指數(shù)單晶銅箔庫的制備（Nature 2020, 581, 406）。然而，相比于單個(gè)晶圓的過渡金屬硫族化合物薄膜，大尺寸、批量化晶圓薄膜的制備仍極具挑戰(zhàn)性。目前，基于化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的二維半導(dǎo)體晶圓尺寸主要集中在2-4英寸，生產(chǎn)效率通常限制于每批次一片，難以滿足逐漸增長的二維半導(dǎo)體在基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)化制造等方面的材料需求。

針對(duì)上述難題，劉開輝團(tuán)隊(duì)與合作者提出了一種全新的模塊化局域元素供應(yīng)生長策略，實(shí)現(xiàn)了2-12英寸過渡金屬硫族化合物晶圓的批量化制備。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將過渡金屬硫族化合物制備所需的多種前驅(qū)體與生長襯底，以“面對(duì)面”模式組裝構(gòu)成單個(gè)生長模塊。過渡金屬元素與硫族元素按精確比例局域供應(yīng)至生長襯底，實(shí)現(xiàn)單層過渡金屬硫族化合物晶圓的高質(zhì)量制備；多個(gè)生長模塊可通過縱向堆疊組成陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種尺寸晶圓薄膜的低成本批量化制備（2英寸晶圓15片/批次；12英寸晶圓3片/批次）。此外，這一模塊化策略適用于過渡金屬硫族化合物薄膜的后處理工藝，可精準(zhǔn)制備“雙面神”（Janus）型MoSSe結(jié)構(gòu)，MoS2(1-x)Se2x合金以及MoS2-MoSe2平面異質(zhì)結(jié)等，為后續(xù)二維材料陣列化與功能化設(shè)計(jì)帶來更多自由度。該研究成果為二維半導(dǎo)體晶圓的大尺寸、規(guī)模化制備提供了一種全新的技術(shù)方案，有望推動(dòng)二維材料在高性能電子學(xué)與光電子學(xué)方向等諸多優(yōu)異性能走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

該研究成果為二維半導(dǎo)體晶圓的大尺寸、規(guī)模化制備提供了一種全新的技術(shù)方案，有望推動(dòng)二維半導(dǎo)體走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

值得一提的是，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室在前沿科學(xué)研究和創(chuàng)新樣板工廠兩大核心板塊都布局了二維半導(dǎo)體方向的研究。近3年來，該實(shí)驗(yàn)室針對(duì)二維半導(dǎo)體晶圓制備和規(guī)模化器件構(gòu)筑取得系列進(jìn)展，在國際上引起廣泛關(guān)注。

2D半導(dǎo)體材料的未來路線圖

2D 半導(dǎo)體研究始于 2011 年左右。從首次提出至今，石墨烯和2D材料（2DM）在科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究已經(jīng)持續(xù)了15年。

從國外進(jìn)度來看，美國MIT于2019年開發(fā)用碳納米管制造的超大計(jì)算機(jī)芯片，一顆由1．4萬余個(gè)碳納米管晶體管（CNFET）組成的16位微處理器，證明可以完全由CNFET打造超越硅的微處理器。

2021年，歐盟“石墨烯旗艦計(jì)劃”，提出了一種將石墨烯和2D材料集成到半導(dǎo)體生產(chǎn)線的新方法，耗資2000萬歐元的“二維實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)線（2D－EPL）”，旨在成為首家將石墨烯和層狀材料集成到半導(dǎo)體平臺(tái)的石墨烯晶圓廠，將基于2D材料的創(chuàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室引向規(guī)模化生產(chǎn)和商業(yè)化落地。

2022年，韓國科學(xué)技術(shù)研究院宣布，由光電材料與器件中心的 Do Kyung Hwang 博士和物理系的 Kimoon Lee 教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組在國立群山大學(xué)通過開發(fā)新型超薄電極材料（Cl－SnSe2），成功實(shí)現(xiàn)了基于二維半導(dǎo)體的電子和邏輯器件，其電氣性能可以自由控制。

國內(nèi)方面，對(duì)于2D材料的研究也熱火朝天。

中國松山湖材料實(shí)驗(yàn)室圍繞2D材料研究的關(guān)鍵問題，實(shí)驗(yàn)室布局了四大方向，涵蓋了從基礎(chǔ)科研到應(yīng)用探索的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，具體是：2D材料的基礎(chǔ)物理、高通量計(jì)算與理性設(shè)計(jì)，2D材料規(guī)模化制備與極限表征，二維體系中的奇異量子現(xiàn)象研究，基于2D材料的兼容工藝研發(fā)與原型器件探索。

中國科學(xué)院金屬研究所于2019年10月制備出“硅-石墨烯-鍺晶體管”，大幅縮短延遲時(shí)間，并將截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲。中國科學(xué)院物理研究所張廣宇團(tuán)隊(duì)在基于2D材料的透明、柔性器件大規(guī)模制備工藝方面取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了柔性襯底上集成度大于?1000?且良品率達(dá)到?97%。

此外，北京大學(xué)、南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校都在2D材料的研究上有所突破。

審核編輯：劉清