苏州实验室,重磅Science!

随着传统硅基晶体管逼近物理极限，原子级厚度的二维半导体材料被视为延续摩尔定律的潜在继任者。其中，二硫化钼（MoS₂）凭借其优异的电学性能和超薄的物理特性，正从实验室走向产业化应用的十字路口。然而，现有的生长技术面临两难困境：实验室常用的化学气相沉积法虽能获得高质量薄膜，却难以满足工业化生产对尺寸和均匀性的苛刻要求；而工业主流的金属有机化学气相沉积技术虽然具备规模化优势，却长期受困于生长动力学限制——反应能垒高、前驱体分解不彻底导致的晶粒微小、碳污染严重等问题，使得薄膜质量远达不到高性能器件的标准。如何在保证可扩展性的同时突破动力学瓶颈，成为制约二维半导体材料实用化的关键科学难题。

针对上述挑战，苏州实验室王欣然教授，王金兰教授和李涛涛副教授团队创新性地提出"氧辅助"策略，通过在生长体系中精准引入氧气，重塑了传统金属有机化学气相沉积的化学反应路径。研究人员利用氧气与含碳金属前驱体预先反应，将原本易残留碳杂质的有机化合物转化为高纯度金属氧化物和单质硫，不仅清除了污染源头，更显著降低了反应活化能。这一方法成功制备出直径达150毫米的单晶MoS₂晶圆，晶域尺寸较传统方法提升百万倍，电子迁移率突破100平方厘米每伏特每秒，达到甚至超越实验室小规模制备材料的性能水平。该成果为二维半导体材料的工业化批量生产提供了切实可行的技术方案，有望推动下一代高性能芯片制造迈向实用化阶段。

本研究创新性地提出氧辅助金属有机化学气相沉积（oxy-MOCVD）技术，通过精准调控氧气引入量重塑反应动力学路径，将金属有机前驱体高效转化为高纯度金属氧化物与单质硫，突破了传统MOCVD生长过渡金属硫族化合物的动力学瓶颈与碳污染难题，成功实现150毫米单晶二硫化钼（MoS₂）晶圆的规模化制备。所得薄膜晶域尺寸较传统方法提升5–6个数量级至数百微米，室温载流子迁移率高达122.9 cm²V⁻¹s⁻¹（平均101.3 cm²V⁻¹s⁻¹），首次在工业级尺寸上达到实验室化学气相沉积材料的性能极限，为二维半导体的产业化量产提供了关键技术支撑。该研究不仅深化了生长动力学与薄膜质量耦合机制的理解，更为通过反应路径设计实现低维材料的可控制备开辟了新范式。展望未来，该方法有望拓展至其他二维硫族化合物体系，结合高介电常数栅氧及先进基底工程，推动下一代高性能逻辑器件、柔性电子及多级异质结集成的实用化进程，助力延续摩尔定律的二维电子学时代加速到来。

Lei Liu†, Yushu Wang†, Ruikang Dong†, Dongxu Fan†, Si Meng, Lang Wu, Shengqiang Wu, Wei Xu, Mingwei Feng, Ningmu Zou, Qingyu Yan, Zehua Hu, Fei Lu, Shitong Zhu, Yuan Gao, Liang Ma, Yi Shi, Taotao Li*, Jinlan Wang*, Xinran Wang* ,Kinetic acceleration of MoS₂ growth by oxy-metal-organic chemical vapor deposition, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec7259