从2英寸到6英寸的跨越！我国科研团队攻破二维半导体量产瓶颈
一场看似简单的“通气”实验——向反应室中通入氧气，意外成为破解二维半导体量产悖论的钥匙。
科研人员通过引入氧气参与前驱体预反应，从化学反应动力学源头加速材料生长，抑制杂质引入。他们创新提出了氧辅助调控金属有机化学气相沉积反应动力学路径的生长策略。
这项技术解决了二维半导体量产化制备的动力学瓶颈，成功攻克6英寸过渡金属硫化物二维半导体单晶量产核心技术。
1月30日，国际顶级学术期刊《Science》在线发表一项突破性研究成果。东南大学物理学院王金兰教授团队与苏州实验室/南京大学王欣然教授团队协同攻关，创新提出氧辅助调控金属有机化学气相沉积（oxy-MOCVD）的生长策略，成功攻克6英寸过渡金属硫化物二维半导体单晶量产核心技术。
01 行业瓶颈
随着摩尔定律逐渐逼近物理极限，硅基芯片的制程微缩正面临着前所未有的挑战。全球科学家正在寻找硅的替代方案，以二硫化钼为代表的二维半导体成为备受关注的方向之一。
二维半导体具有原子级厚度，能有效降低晶体管功耗，实现三维异质异构集成，被认为是延续集成电路摩尔定律的候选材料。
然而这一领域长期存在一个“量产悖论”。实验室常用的化学气相沉积技术虽能制备高质量单晶，却存在尺寸小、均匀性差、可重复性低等问题，无法满足工业生产需求。
传统金属有机化学气相沉积技术虽具备规模化生产潜力，却因反应动力学限制，易生成缺陷多、电子迁移率低的多晶材料，难以适配高端电子器件要求。
图1 传统MOCVD和oxy-MOCVD生长MoS2的（a）动力学过程及其（b-e）表征和电学性质。
02 科研突破
面对二维半导体产业化制备的挑战，南京大学—苏州实验室王欣然、李涛涛团队与东南大学王金兰团队合作开发了全新的氧辅助金属有机化学气相沉积技术。
这一创新性方法的突破源自一个关键发现：传统MOCVD工艺中，前驱体Mo(CO)₆的硫化反应能垒高达2.02 eV，严重限制了生长速率，导致晶畴尺寸仅能达到纳米级，同时还易引入碳污染。
研究团队通过第一性原理计算模拟发现，通入氧气后，反应路径会发生根本性重构。氧气使Mo(CO)₆和CS₂发生预反应，生成三氧化钼和单质硫活性中间体，不仅将反应能垒从2.02 eV显著降至1.15 eV，使前驱物反应速率提升约3个数量级，还从根源上抑制了含碳中间体的形成。
图2 6英寸MoS2单晶表征
03 氧辅助技术
这项被命名为oxy-MOCVD的创新技术，其核心在于“氧气辅助”。研究团队创新设计预反应腔结构，实现氧气与前驱体（Mo(CO)₆、CS₂）的精准混合与预氧化。
氧气的引入让化学反应路径发生了根本性改变。传统路径中，前驱体直接分解并在衬底表面反应，而氧辅助技术使前驱体在到达衬底表面前就转化为高活性中间体。
这一转变大幅降低了反应能垒，从根本上解决了传统MOCVD技术中的碳污染问题。氧气在高温环境下与前驱体中的碳元素相结合，形成气体产物离开反应体系，避免碳元素进入二维半导体材料。
图3 不同MOCVD外延MoS2电学性能
04 成果数据
研究团队成功在前期研发的蓝宝石斜切衬底基础上实现了多项突破。
通过oxy-MOCVD技术，研究团队成功实现了百微米级二硫化钼晶畴定向外延，晶畴面积相较传统MOCVD技术实现5个数量级以上的跨越，生长速率提升2-3个数量级。
实验结果显示，该技术使二硫化钼晶畴尺寸从百纳米级跃升至数百微米，最大达到260μm，并实现有序排列。
尤为重要的是，研究团队成功制备了6英寸二硫化钼单晶晶圆，表征结果证明晶圆范围内材料质量与均匀性保持超高水准。
05 性能表现
基于oxy-MOCVD生长的6英寸二硫化钼单晶制备的场效应晶体管阵列，电学性能测试给出了令人振奋的结果。
最高电子迁移率达到123 cm²·V⁻¹·s⁻¹，较传统MOCVD技术提升10倍以上，开关比达到10⁹。所制备的二硫化钼未检测到任何碳元素特征信号，证明氧气调控策略从根源上消除了碳污染。
样品的室温光致发光信号强度较传统MOCVD技术制备的样品提升20倍以上。这些表征证明该方法制备的二硫化钼在纯度与质量上不仅显著优于传统MOCVD材料，也超越了实验室级别CVD与机械剥离制备的小尺寸材料。
研究团队利用人工智能图像识别技术对6英寸范围光学显微镜视频进行晶畴取向实时分析，结果显示单向取向比例接近100%。
06 技术演进
这项突破并非孤立存在，而是建立在该团队一系列研究基础上的自然演进。实际上，2025年10月，同一团队已在《Science》发表了关于二维半导体制备的重要成果。
当时，他们通过稀土元素对蓝宝石衬底表面修饰，在国际上率先突破6英寸二维过渡金属硫族化合物半导体单晶量产化制备技术。
那项被形象地称为 “点石成晶”的技术，通过在蓝宝石表面构建镧单原子层，打破蓝宝石表面固有的对称性，让二维半导体成核锁定在同一个方向上，确保了晶畴的单向排列进而长成单晶。
两次突破形成了“衬底工程+动力学调控”的完整技术路线，为二维半导体量产化提供了核心支撑。
研究团队创新的oxy-MOCVD技术，将二硫化钼的晶畴面积相比传统方法提高了5个数量级，生长速率加快了2-3个数量级。
这一成果与三个月前发表的“点石成晶”技术相结合，共同构建了“衬底工程+动力学调控”的完整技术路线。
随着6英寸晶圆制备技术的突破，研究团队已经将目光投向了下一步目标——由于硅基半导体产线主要使用12英寸薄膜，团队正加紧研发新型气相沉积设备，准备尝试规模化制备12英寸二硫化钼薄膜。
