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编辑丨风云
研究背景
过渡金属硫族化合物（TMDCs）如MoS2是极具前景的二维半导体材料。虽然金属有机化学气相沉积（MOCVD）在大面积均匀生长方面具有优势，但由于反应动力学的限制，通常面临晶畴尺寸小（纳米级）、生长速度慢以及严重的碳污染等挑战，阻碍了其从实验室走向工业规模化生产。
关键问题
目前，TMDCs材料的制备主要存在以下问题：
1、反应能垒高导致生长动力学缓慢
传统 MOCVD 过程中，前驱体的硫化步骤存在极高的能量障碍（能垒超过 2.0 eV），导致晶畴生长极其迟缓且尺寸细小，难以满足高质量单晶薄膜的制备需求。
2、有机前驱体热解引发碳污染
金属有机前驱体在化学分解过程中不可避免地会引入碳残留，这些碳杂质作为散射中心会严重损害MoS2的电学迁移率和光学质量。
新思路
有鉴于此，苏州实验室王欣然（南京大学）、王金兰（东南大学）、李涛涛（南京大学）等人揭示了MoS2薄膜生长的基本的动力学限制，并通过引入氧辅助 MOCVD（oxy-MOCVD）技术予以克服。通过用氧气调节反应，金属有机前驱体被转化为高纯度的过渡金属氧化物和硫族元素，产生的对齐二硫化钼（MoS2）晶畴尺寸和生长速率比传统MOCVD高出几个数量级。所得MoS2不含碳杂质，平均迁移率超过 100 cm2V−1s−1。150 毫米单晶 MoS2 晶圆证明了oxy-MOCVD 的可扩展性，证实了工业级生产的可行性。
技术方案：
1、分析了MoS2 在 MOCVD 中的生长动力学
研究表明传统MOCVD能垒高、质量差；引入氧气后生成高活性MoO₃并原位供硫，能垒降至1.15 eV，速率与纯度大幅提升。
2、验证了oxy-MOCVD生长MoS2
oxy-MOCVD制备的MoS₂晶畴尺寸达260μm，比传统方法高5-6个数量级，实现了100%单向对齐，单晶薄膜缺陷密度极低，无碳污染，光学质量优异。
3、评估了oxy-MOCVD MoS2的电学性质
oxy-MOCVD MoS₂迁移率达122.9 cm²/V·s，比传统方法提高10-50倍，全片均匀性波动仅9.3%，低温迁移率679.7 cm²/V·s，开关比10⁹，缺陷密度极低。
4、规模化制备了150 毫米（6 英寸）单晶晶圆
研究在150毫米蓝宝石衬底上实现全片MoS₂晶畴100%单向对齐拼接，拉曼峰位差18.5±0.23 cm⁻¹，PL强度波动<9%，SHG映射均匀，为二维半导体商业化铺平道路。
技术优势：
1、揭示了MoS2生长的动力学加速新机制
研究通过引入氧气预反应，将传统的高能垒硫化路径转变为低能垒的“先氧化后硫化”路径，使 MoS2的生长速率和晶畴面积提升了数个数量级。
2、突破性地制备了单晶晶圆
本文首次在 150 毫米（6 英寸）蓝宝石衬底上实现了无碳污染、高均匀性、且具有声子限制输运特性的高性能单晶MoS2生产。
技术细节
MoS2 在 MOCVD 中的生长动力学分析
作者通过理论计算和实验深入探讨了传统 MOCVD 的动力学瓶颈。研究人员对比了三种反应路径：H2S 驱动、纯 CS2 驱动以及 oxy-MOCVD 路径。理论分析显示，传统 H2S 反应虽然是放热的，但限速步骤的能垒高达 2.02 eV，导致生长速度极其缓慢。使用 CS2 作为硫源时，虽然能垒略降至 1.92 eV，但反应本身变为吸热，且会产生含碳中间体，导致薄膜质量受损。 引入氧气后，反应路径发生了根本性改变。Mo(CO)3 首先与氧气发生强放热反应（焓变 −9.65 eV），转化为高活性氧化钼（MoO3），该过程能垒仅为 1.15 eV。同时，O2 将 CS2 氧化生成单质硫。实验通过原位质谱证实了这一过程，发现氧气能有效清除前驱体中的 CO 配体和碳元素，产生的 MoS6 单体具有更低的边缘吸附能，显著加速了动力学过程并提升了薄膜纯度。
图氧化物-MOCVD和常规MOCVD生长MoS2的动力学
oxy-MOCVD生长MoS2的实验验证
研究团队利用定制的oxy-MOCVD系统验证了理论预测。实验发现，在相同生长条件下，oxy-MOCVD制备的MoS2单个晶畴尺寸可达约260μm，而传统CS2和H2S方法仅能制备约100 nm 和30 nm 的小晶畴。AI统计结果表明，oxy-MOCVD的晶畴面积比传统方法高出5到6个数量级，生长速率提升了两个数量级以上。通过在特定偏角的蓝宝石衬底上生长，oxy-MOCVD实现了晶畴的100%单向对齐。DF-TEM和原子分辨率STEM图像证实了薄膜的单晶性质及极低的缺陷密度。相比之下，传统MOCVD产生的薄膜多为多晶，含有大量晶界和镜像孪晶界缺陷。此外，XPS测试显示oxy-MOCVD样品完全没有C1s峰，彻底消除了碳污染，其光致发光（PL）强度和峰宽表现出极高的光学质量。
图oxy-MOCVD和常规MOCVD生长的MoS2的表征
oxy-MOCVD MoS2 的电学性质评估
为了评估材料的实用性，研究者制造了场效应晶体管（FET）阵列。结果显示，oxy-MOCVD MoS2的平均迁移率达到 101.3±9.5 cm2V−1s−1，最高值可达122.9 cm2V−1s−1。这一性能比CS2-MOCVD提高了10倍以上，比H2S-MOCVD提高了50倍，刷新了MOCVD制备二维材料的电学纪录。该材料在全片范围内表现出极高的均匀性，迁移率波动仅为9.3%。低温电输运测试进一步证明，材料在低至30 K时迁移率升至679.7 cm2V−1s−1，显示出声子限制而非缺陷限制的输运特征。FET器件还表现出高达109的开关比和优异的亚阈值摆幅，说明其缺陷态和陷阱电荷密度极低，甚至优于目前最先进的常规CVD生长样品。
图MoS2的电性能
150 毫米（6 英寸）单晶晶圆的规模化制备
研究最后展示了该技术在工业规模生产中的潜力。研究人员在150毫米蓝宝石衬底上成功制备了全单向对齐的MoS2晶畴并拼接成连续薄膜。通过AI模型分析，全片晶圆的对齐比例接近100%。照片和光学扫描显示，薄膜在整片6英寸晶圆上表现出极佳的肉眼可见一致性和均匀厚度。全片映射（Mapping）表征进一步量化了这种一致性。拉曼光谱测得拉曼峰位差平均值为18.5±0.23 cm−1，验证了全片均为均匀单层。PL强度在整个晶圆上的波动小于9%，二次谐波（SHG）强度映射呈现统一的颜色对比度，有力证明了全片的单晶性质。这种卓越的材料质量和晶圆级均匀性克服了实验室成果向工业转化过程中的关键障碍，为二维半导体的商业化铺平了道路。
图6英寸MoS2单晶片的均匀性表征
展望
本研究通过氧辅助MOCVD技术成功克服了传统MOCVD的动力学限制，实现了生长速率和材料质量的双重跨越。该方法不仅消除了碳污染，还制备出迁移率超过100 cm2V−1s−1的6英寸单晶MoS2晶圆。这一突破性进展为未来高性能、大面积二维半导体集成电路的工业化生产提供了成熟的技术范式和理论指导。
参考文献：
LEI LIU, et al. Kinetic acceleration of MoS2 growth by oxy-metal-organic chemical vapor deposition. Science, 2026, 391(6784)
DOI: 10.1126/science.aec7259
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec7259#tab-contributors
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