苏州实验室/南京大学/东南大学Science: 氧辅助金属-有机化学气相沉积加速MoS2的动力学生长

薄膜生长本质上是一个由热力学与动力学相互作用调控的非平衡过程。生长动力学在决定薄膜的成核行为、畴演化及质量方面起着核心作用。这对于原子级厚度的二维半导体尤为重要，因为衬底范德华相互作用提供的热力学驱动力相对较弱。过渡金属硫族化合物（TMDCs）的生长动力学通常涉及前驱体升华至气相、过渡金属物种的硫化反应及随后的表面生长。尽管TMDCs生长研究已取得显著进展，这些过程背后的基础动力学机制仍未明晰，为从学术实验室走向产业化转型带来挑战。

相较于固态源化学气相沉积（CVD），气态源金属-有机（MO）CVD（MOCVD）能实现前驱体输送的精确控制与大面积均匀性，可生产直径达200毫米的TMDC薄膜。然而，MOCVD通常导致畴尺寸小、晶界密度高且不可避免的碳污染问题。这源于MO前驱体化学分解为零价金属，其蒸汽压较低且相比金属氧化物具有受限的吸附原子迁移率。在硫族元素方面，氢化物前驱体因氢原子移除的高活化能垒导致生长速率缓慢，而有机硫族前驱体虽具有更佳挥发性，却在热解过程中产生碳质副产物。这些结果表明前驱体化学对生长行为具有决定性影响。为引导前驱体设计、优化生长路径并提升工业级TMDC生产的薄膜质量，亟需对反应动力学进行更深入的理解与调控。

近期，作者报道了在镧钝化C面蓝宝石上外延生长150毫米单晶TMDC晶圆的研究。单原子层镧通过降低表面对称性、增大反平行畴区间的能量差，实现了单向畴排列。虽然获得了高畴取向一致性，但MOCVD工艺下畴尺寸仍维持在纳米尺度，这可能在畴合并过程中引入更多缺陷。

在此研究中，作者聚焦于反应动力学在提升畴尺寸、生长速率及薄膜质量方面的作用。通过阐明限制高质量MoS₂生长的基本动力学瓶颈，引入了一种新型技术——氧辅助MOCVD（oxy-MOCVD）来突破这些限制。通过精确引入氧气与六羰基钼[Mo(CO)₆]和二硫化碳（CS₂）预反应，生成了高纯度三氧化钼（MoO₃）和硫作为反应中间体。这些中间体促使蓝宝石衬底上生长出单向排列的二硫化钼（MoS₂）畴，其畴尺寸更大（数百微米级），生长速率较传统MOCVD提升两个数量级以上，同时保持晶圆级均匀性。

所得MoS₂薄膜无碳杂质污染，室温载流子迁移率最高达122.9 cm² V⁻¹ s⁻¹，平均值为101.3 cm² V⁻¹ s⁻¹，与报道最优CVD生长薄膜性能相当。进一步，通过合成均匀的150毫米单晶MoS₂晶圆，验证了氧辅助MOCVD技术的可扩展性。该技术通过精准调控反应动力学，弥合了实验室级CVD质量与工业级MOCVD可扩展性之间的差距。

图3. MoS₂的电学性能

图4. 6英寸单晶MoS₂晶圆的均匀性表征

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