『南京大学 最新重磅Science』稀土镧钝化蓝宝石实现150毫米单晶过渡金属二硫族化物外延生长

• 原子级对称性调控：单层镧原子取代蓝宝石表面铝位，显著降低表面对称性（从P3降至P1），打破了±30°反平行晶域的简并性。

• 能量差提升200倍：La钝化将反平行晶向间的结合能差提升至149 meV/nm²，是普通蓝宝石的26倍，强力抑制镜像晶界的形成。

• 通用外延平台：该方法适用于MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂等多种TMDC材料，并兼容CVD与MOCVD工艺。

• 150毫米单晶晶圆实现：首次在La–Al₂O₃(0001)上实现150毫米单晶TMDC晶圆外延，晶向一致度>99%，光谱与电学均表现优异。

• 高迁移率器件性能：制备的MoS₂与WSe₂晶圆场效应晶体管（FET）展现室温迁移率分别达110与131 cm²·V⁻¹·s⁻¹，达到2D半导体器件新标杆。

📊 图示要点

• 图 1｜La–Al₂O₃(0001)表面结构与对称性破缺机制通过旋涂硫酸镧溶液并经1000°C退火，得到稳定的单原子层La钝化蓝宝石。HAADF-STEM显示La原子沿晶向形成周期性排列，与Al₂O₃基底原子位置精确匹配。DFT计算表明，表面氧密度约为原始蓝宝石的一半，产生自发重构，降低表面对称性至P1，使La–La间距（4.12和2.38 Å）与Al–Al匹配，形成稳定的钝化层。

  

• 图 2｜多种TMDC在La–Al₂O₃(0001)上的单向外延生长AFM结果表明，无论基底切角或台阶方向如何，MoS₂在La–Al₂O₃(0001)上均呈单向R0°取向，且不依赖台阶成核。该机制适用于不同前驱体组合（MoO₃ + S, Mo(CO)₆ + H₂S），以及其他TMDC（WS₂、WSe₂、MoSe₂），均实现>95%单向取向。相比之下，未钝化蓝宝石仅在特定切角下可局部实现单向性，验证了La层在对称性破缺中的核心作用。

  

• 图 3｜界面结合能与外延关系分析第一性原理计算揭示：在La–Al₂O₃(0001)表面，MoS₂在0°取向处的结合能最低，较60°取向差149 meV/nm²，而在未钝化基底上仅为5.6 meV/nm²。RHEED与HAADF-STEM进一步验证了R0°外延关系，(3×3) MoS₂超胞与(2×2) La–Al₂O₃匹配，晶格应变仅0.42%。La的存在缩短了范德华界面间距（2.94 Å），并增强了电荷转移与界面结合。

  

• 图 4｜150毫米单晶TMDC晶圆的结构与光谱表征利用MOCVD工艺实现了150毫米单晶MoS₂、WS₂、WSe₂与MoSe₂晶圆生长。SHG映射显示全晶圆三重对称性一致，Raman与PL映射揭示高均匀性（Δ(A₁g–E₂g)≈18.8 cm⁻¹，PL峰宽≈78 meV），LEED图样三重对称一致，表明无晶界存在。原子分辨STEM确认单层六方晶格完整且无La掺杂。MoS₂薄膜可经水辅助剥离转移，基底可循环使用，显著降低生产成本。

  

• 图 5｜晶圆级器件性能与迁移率统计将150毫米MoS₂转移至200毫米硅晶圆上制备FET阵列，共98个芯片、4800个器件。所有器件均表现出增强型n型传输特性，迁移率分布均匀（平均110 cm²·V⁻¹·s⁻¹，最高160 cm²·V⁻¹·s⁻¹），方差仅13.5%。阈值电压Vth稳定、亚阈值摆幅SS低、Ion/Ioff高达10⁷。温度依赖测试表明迁移率在30 K时提升至750 cm²·V⁻¹·s⁻¹，载流子输运受限于声子散射，显示出近本征晶体质量。p型WSe₂器件迁移率达173 cm²·V⁻¹·s⁻¹，展现出CMOS级平衡特性。

  

🧠 结论与展望

本研究提出了一种通过镧原子钝化蓝宝石表面实现二维半导体稳健外延的新范式。La–Al₂O₃(0001)表面破坏中心反演对称性，将反平行晶域的能量差提升百倍，从而实现TMDC家族材料的全向单晶外延。这一策略：

• 实现了首个150毫米单晶TMDC晶圆；

• 兼容多种化学气相沉积工艺与材料体系；

• 保证优异的光学、电学均匀性与高迁移率；

• 支撑2D材料在主流硅基生产线中的集成应用。

未来研究方向包括：

1. 扩展至300毫米晶圆级制备，推动二维半导体与CMOS技术融合；

2. 构建p–n互补集成电路，实现全二维CMOS体系；

3. 探索其他稀土钝化策略，进一步调控界面对称性与应变场；

4. 发展高通量、可循环基底工艺，降低大规模产业化成本。

该工作标志着二维半导体从实验室走向产业化的重要跨越，为下一代原子级电子器件提供了可扩展的制造路径。