多层MoS2外延晶圆，推动二维半导体的器件应用 | NSR

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以二硫化钼为代表的二维半导体材料是一类战略新材料，有望解决当前晶体管微缩瓶颈，构筑出速度更快、功耗更低、柔性透明的新型半导体芯片。而且，与单层相比，多层二硫化钼更有助于提升器件性能。但是，由于热动力学的基本限制，如何实现高品质多层二硫化钼晶圆的制备仍是一个巨大挑战。

针对该挑战，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室张广宇课题组最近发展了一种逐层外延方法，实现了层数可控的多层二硫化钼4英寸晶圆的可控制备，所外延的多层二硫化钼具有极高的晶体学质量和优异的电学性质。该研究以“Layer-by-Layer Epitaxy of Multilayer MoS₂ Wafers”为题发表在《国家科学评论》（National Science Review NSR）上。

为了解决晶圆尺度多层二硫化钼逐层外延的问题，张广宇研究员课题组自主设计和搭建了4英寸多源化学气相沉积系统，发展了氧辅助的外延技术来调控生长动力学过程，利用衬底的近邻效应克服了热力学的基本限制和逐层外延的困难，最终实现了4英寸晶圆尺度均匀多层二硫化钼连续薄膜（最高可达6层）的可控逐层外延生长。

四英寸多层MoS₂晶圆的逐层外延

基于单层、双层及三层二硫化钼晶圆，他们加工了长沟道和短沟道的场效应晶体管器件，并表征了器件的性能。电学测量结果表明：100纳米沟长的晶体管在驱动电压V_ds=1V时的开态电流密度从单层的0.4 mA·μm^-1提高到双层的0.64 mA·μm^-1和三层的0.81 mA·μm^-1，分别提高了60%和102.5%；40纳米沟长的三层二硫化钼短沟道器件在V_ds=2/1/0.65 V时的开态电流密度达到1.70/1.22/0.94 mA·μm^-1的电流密度，为已报道的最高值，且具有超过10⁷的开关比，优于国际器件与系统路线图(IRDS) 中高性能逻辑器件的2024年目标。

研究者还制备了沟长5到50μm的长沟道薄膜晶体管（TFT），其中双层和三层二硫化钼的电学质量相比单层得到显著提高，室温平均迁移率（最高迁移率）从单层的80 cm²·V^-1·s^-1（131.6 cm²·V^-1·s^-1）提高到双层的110 cm²·V^-1·s^-1（217.3 cm²·V^-1·s^-1，提高了65.1%）和三层的145 cm²·V^-1·s^-1（234.7 cm²·V^-1·s^-1，提高了78.3%），刷新了目前基于二维过渡金属硫化物半导体器件的最高迁移率记录。此外，相比于目前发展成熟的铟镓锌氧化物TFT（迁移率10-40 cm²·V^-1·s^-1）和低温多晶硅TFT（迁移率50-100 cm²·V^-1·s^-1），大于100 cm²·V^-1·s^-1的平均迁移率揭示了多层二硫化钼薄膜在TFT应用中的巨大潜力。

多层MoS₂的超高电学质量

该工作突破了晶圆级高质量多层二硫化钼连续膜的逐层外延技术，为基于二硫化钼薄膜的大规模高性能电子学器件奠定了坚实的材料基础，预期可以有效地推动二维半导体材料在TFT、亚10nm超短沟道器件、柔性显示屏、智能可穿戴器件方面的应用。

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