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二维过渡金属二硫化物（TMDCs）被视为推动半导体技术向原子尺度发展的重要候选材料。然而，要实现其工业应用，必须实现单晶TMDCs的可扩展制备，而这一直是一个艰巨的挑战。其中，关键问题在于缺乏一种能够实现单一取向、大面积均匀外延的通用衬底。尽管c面蓝宝石［Al₂O₃(0001)］因其晶格对称性、可扩展性和成本优势被广泛用于III–V族半导体外延，但其表面层近乎中心反演对称，导致TMDC域出现反平行取向并形成镜像晶界，限制了单晶质量的提升。

鉴于此，南京大学王欣然教授、苏州实验室Feng Ding、李涛涛副教授提出了一种通过单层镧（La）钝化蓝宝石衬底实现晶圆级单晶TMDCs外延的通用策略。研究团队首次在直径为150毫米的La-Al₂O₃(0001)衬底上成功外延生长了包括二硫化钼（MoS₂）、二硒化钼（MoSe₂）、二硫化钨（WS₂）和二硒化钨（WSe₂）在内的多种TMDC单晶薄膜。La钝化将衬底表面对称性从P₃降低至P₁，并将反平行域之间的形成能差提高了高达200倍，从而实现了近乎100%的单向域对齐。该方法适用于多种化学气相沉积（CVD）和金属有机CVD（MOCVD）工艺，展现了优异的工艺兼容性与鲁棒性。器件测量显示，n型MoS₂和p型WSe₂在室温下的平均迁移率分别达到110 cm²·V⁻¹·s⁻¹和131 cm²·V⁻¹·s⁻¹，为二维半导体进入主流集成电路制造奠定了基础。相关研究成果以题为“Robust epitaxy of single-crystal transition-metal dichalcogenides on lanthanum-passivated sapphire”发表在最新一期《science》上。

【La-Al₂O₃(0001)衬底的制备与结构表征】

图 1.La-Al2O3（0001） 的结构

【在La-Al₂O₃(0001)上实现通用单晶TMDC生长】

DFT计算揭示了La钝化对TMDC外延的关键作用。在原始Al₂O₃(0001)表面，MoS₂的结合能在±30°处存在两个近乎简并的最小值，能差仅为5.6 meV/nm²（图3c），导致反平行域的形成。而在La-Al₂O₃(0001)表面，结合能曲线仅在一个深度最小值处（0°）出现，且与60°处的次极小值能差高达149 meV/nm²，是原始表面的26倍（图3b）。这种显著的能差变化源于界面距离和电荷转移的差异：在0°取向下，MoS₂与衬底的范德瓦尔斯间距为2.94 Å，并伴随显著电荷转移；而60°取向时间距为3.04 Å，几乎无电荷转移（图S9）。此外，La钝化还将MoS₂单向域的热力学概率在3.5 nm域尺寸时提升至99.9%，而原始表面的临界尺寸为17.88 nm。类似能差提升也见于WS₂、WSe₂和MoSe₂，其中WS₂的能差增大了近200倍，进一步证实了La-O表面对TMDC家族单向对齐的普适诱导能力。

图 2. 单向TMDCs 在 La-Al2O3（0001）上的普遍生长

图 3. MoS2 在 La-Al2O3（0001）上的外延关系

【150毫米单晶TMDC晶圆的制备与表征】

利用定制MOCVD系统（ExtreMO D200 ultra），研究团队成功制备了150毫米单晶MoS₂、WS₂、WSe₂和MoSe₂晶圆（图4a）。晶圆级二次谐波发生（SHG） mapping显示整个MoS₂薄膜具有优异的均匀性，无晶界存在（图4b, c）。低能电子衍射（LEED）图案在不同位置均呈现一致的三重对称性，进一步证实了单晶性（图4d）。拉曼（Raman）和光致发光（PL）谱显示Δ(A₁g–E₂g)为18.8 cm⁻¹，PL半高宽为78 meV，表明材料质量高且缺陷密度低（图4e–j）。原子级HAADF-STEM图像显示MoS₂具有完美的六方晶格，无La掺杂（图S15）。其他TMDC材料也表现出类似的晶圆级单晶性与均匀性。

图 4. 150 mm 单晶 TMDC 晶圆的表征

【电学性能与器件应用】

通过水基剥离工艺，MoS₂可从La-Al₂O₃(0001)衬底上以近100%的良率转移至200毫米硅晶圆（图5a）。XPS检测显示转移后的MoS₂中无La信号，表明生长过程中La未掺入晶格。在硅衬底上制备的场效应晶体管（FET）阵列（每芯片48个FET，通道长度50 μm，宽度20 μm）显示出增强型n型操作，240个器件均具有100%良率与小偏差（图5d）。关键电学参数——包括场效应迁移率（μ）、阈值电压（Vth）、亚阈值摆幅（SS）、开态电流（Ion）和开关比（Ion/Ioff）——在晶圆中心与边缘区域分布一致（图5c）。平均室温迁移率为110 cm²·V⁻¹·s⁻¹，最高达160 cm²·V⁻¹·s⁻¹，整个150毫米晶圆的迁移率变异系数为13.5%（图5e）。对比研究表明，该方法生长的MoS₂在单晶尺寸与迁移率方面均优于以往报道（图5f）。温度依赖测量显示Vth稳定，陷阱密度低至约2×10¹² cm⁻²，迁移率在30 K时达750 cm²·V⁻¹·s⁻¹，符合声子限制传输理论。此外，p型WSe₂ FET的平均空穴迁移率为131 cm²·V⁻¹·s⁻¹，最高达173 cm²·V⁻¹·s⁻¹，与n型MoS₂形成互补，展现了构建全二维CMOS电路的潜力。

图 5. 150毫米单晶MoS2的电性能

【总结与展望】

本研究通过La钝化蓝宝石衬底，建立了一条通用、稳健的晶圆级单晶TMDC外延路径。La修饰有效降低了Al₂O₃(0001)表面对称性，大幅提升了反平行域之间的结合能差，从而实现了在不同材料、衬底切向、生长工艺和前驱体类型下均一单向域对齐。150毫米TMDC晶圆在光谱学与器件层面均表现出卓越的质量与均匀性。该工作解决了二维半导体走向商业化的一大关键瓶颈，为其在未来电子器件中的大规模应用奠定了坚实基础。由于蓝宝石衬底可轻松扩展至300毫米，本研究有望加速二维半导体融入主流硅技术产业链，推动下一代电子学的发展。

来源：高分子科学前沿

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