中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-009）——双层二维半导体的大面积外延生长
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工作简介
南京大学王欣然教授领导的实验团队与东南大学王金兰教授领导的理论团队合作，在二维半导体层数可控的大面积外延生长方面取得重要进展，相关研究成果以Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire为题，于2022年5月4日发表于《自然》期刊（Nature, 605, 69–75 (2022)）。
集成电路摩尔定律是推动人类信息社会发展的源动力。当前，集成电路已经发展到5nm技术节点，继续维持晶体管尺寸微缩需要寻求底层材料的创新。以过渡金属硫化物为代表的二维半导体具有超薄沟道、高迁移率和异质集成等特点，是继续延续摩尔定律的重要材料之一。尽管学术界和工业界在单层二维半导体生长方面已经取得了很大的进展，但是单层材料在面向高性能计算应用时依然受限。相比于单层MoS2，双层MoS2具有更窄的带隙和更高的电子态密度，理论上可以提升驱动电流，更适合应用于高性能计算。然而，由于材料生长热力学的限制，“1+1=2”的逐层生长方法难以制备出均匀的双层，因此层数可控的大面积二维半导体外延制备一直是尚未解决的难题。
针对上述问题，研究团队另辟蹊径，提出了衬底诱导的双层成核以及“齐头并进”的全新生长机制，在国际上首次报道大面积均匀的双层MoS2薄膜外延生长。本工作首先从理论出发，使用第一性原理计算对材料生长进行热力学分析，发现单层薄膜具有最低的自由能，但是由于边缘的相互作用，当上下两层边缘对齐时具有局部能量最低点，这使得双层形核在理论上变为可能。进一步的理论分析表明，通过在蓝宝石表面构建更高的“原子梯田”，可以实现边缘对齐的双层成核，从而打破了“1+1=2”的逐层生长传统模式局限。
研究团队利用高温退火工艺，在蓝宝石表面上获得了均匀分布的高原子台阶，成功实现了超过99%的双层MoS2形核，并实现了厘米级的双层MoS2连续薄膜。截面扫描透射电镜进一步验证了本工作提出的双层成核生长机制，光学显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱等表征均证明了双层MoS2薄膜的大面积均匀性，低能电子衍射和反射高能电子衍射则证明了双层MoS2与蓝宝石衬底具有单一的外延关系。团队还观察到双层MoS2具有2H和3R两种层间堆垛模式，并在理论上给出了解释。
研究团队进一步制造了双层MoS2沟道的场效应晶体管（FET）器件阵列，并系统评估了其电学性能（图2）。相比单层材料，双层MoS2晶体管的迁移率提升了37.9%，达到~122.6 cm2V-1S-1，同时器件均一性得到了大幅度提升。进一步，团队报道了开态电流高达1.27 mA/μm的FET，刷新了二维半导体器件的最高纪录，并超过了国际器件与系统路线图所规划的2028年目标。
该工作突破了层数可控的二维半导体外延生长技术，为二维半导体层数控制提供了全新思路，并且实现了最高性能的晶体管器件。南京大学刘蕾、李涛涛、李卫胜、高斯、孙文杰和东南大学马亮、董瑞康为论文共同第一作者；南京大学王欣然、李涛涛和东南大学王金兰、马亮为共同通讯作者。
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作者简介
王欣然，现任南京大学电子科学与工程学院教授，博士生导师
主要从事低维信息材料、器件与集成电路的研究工作。发表SCI论文160余篇，总引用超过 23000 次，H index=57，多次入选全球高被引学者榜单。国家杰出青年基金获得者，长江学者特聘教授，曾获得国家自然科学二等奖、江苏省科学技术一等奖、中国青年科技奖、中国物理学会黄昆物理奖、中国青年五四奖章等荣誉。担任国际学术期刊npj 2D materials and applications副主编，Nano Research、中国科学：信息科学、半导体学报等期刊编委。
通讯作者
王金兰，现任东南大学物理学院教授，博士生导师
从事新材料的多尺度模拟与设计工作，在机器学习快速预测新材料、低维材料生长机理与物性调控机制等方面取得了一系列创新性研究成果。主持国家自然科学基金重点项目与国家重点研发计划课题项目，以通讯作者身份在《Nature》、《Nature Nanotechnology》、《Nature Communications》等国际核心学术期刊上发表SCI论文200余篇，论文引用超过15000次，H指数58，连续多年入选“Elsevier中国高被引学者名单”（2014-2021）。国家杰出青年基金获得者、国务院特殊津贴专家、英国皇家化学会会士。担任中国化学会理论化学专业委员会委员、中国物理学会计算物理专业委员会委员、江苏省物理学会常务理事等。担任《Nanoscale》与《Nanoscale Advances》副主编、《Nanoscale Horizons》科学主编以及《Journal of Physical Chemistry Letters》等国内外多家期刊编委。
李涛涛，现任南京大学电子科学与工程学院副研究员
主要从事低维材料的合成及器件应用研究，近年来聚焦二维半导体外延生长，在国际上率先实现了蓝宝石衬底上2英寸二硫化钼单晶薄膜外延制备，提出了利用衬底斜切制造原子级表面台阶以打破形核能量简并的设计思想。在Nature、Nature Nanotechnology等期刊发表论文30余篇，获得授权发明专利10余项，包括美国专利和日本专利各1项。
通讯兼第一作者
马亮，现任东南大学物理学院教授，博士生导师
主要从事低维材料生长机理与物性调控的多尺度模拟研究，在二维材料的可控生长/蚀刻与物性调控机制及理性设计等方面取得了系统的原创性研究成果。以第一/共一/(共同)通讯作者身份在Nature, Nat. Nanotechnol., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv.Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett.等国际权威期刊发表SCI论文20余篇。2篇论文被选为期刊封面热点，1篇入选ESI高被引。论文引用1800余次，H指数23。曾获全国青年计算物理优秀论文奖(2012)和江苏省优秀博士学位论文(2016)，入选江苏省“双创人才”(2021，主持)、“双创团队”(2020，研究骨干)等人才/团队资助计划。
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原文传递
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《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
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