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【导读】

二维（2D）过渡金属硫族化合物（TMDCs）被认为是将半导体技术推进到原子极限的沟道材料。然而，单晶TMDCs的可扩展生产，作为工业应用的先决条件，一直是一个艰巨的挑战。这在一定程度上是由于缺乏能够实现单向TMDCs通用且稳健外延的衬底。其中，c面蓝宝石（Al2O3（0001）），在III-V族半导体的外延中被广泛使用，考虑到其晶格对称性、可扩展性和成本，是一个理想的衬底。然而，其最顶层几乎是中心反演对称的，导致了反平行的TMDC域和镜像晶界。尽管通过设计的表面台阶可以打破这种简并性，但这些方法尚未满足大规模生产所需的稳健性和均匀性要求。一种更可行的大规模生产策略是降低Al2O3（0001）表层的原子对称性，并大幅增加反平行域之间的形成能差异。

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【成果掠影】

南京大学王欣然教授，苏州实验室丁峰教授，李涛涛副教授（共同通讯作者）等人发现通过用单层镧（La）钝化c面蓝宝石表面，可以打破其原子中心反演对称性。作者使用La钝化的c面蓝宝石表面（La-Al2O3（0001））作为单晶TMDC的通用外延衬底。与仅适用于特定材料、衬底和生长过程的现有方法不同，本文的方法实现了150mm单晶二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二硒化钨（WSe2）和二硒化钼（MoSe2）的通用且稳健的外延生长。在广泛的CVD和MOCVD工艺条件下，单向域排列的百分比接近100%。进一步基于密度泛函理论（DFT）计算的结构优化表明，La钝化导致表面对称性从P3降低到P1，打破了Al2O3（0001）上反平行域的伪简并性。计算结果表明，所有TMDCs应具有外延关系（TMDC//La-Al2O3），通过实验验证了这一点。晶圆级光谱学和器件测量证明了150mmTMDC的卓越质量和均匀性。例如，n型MoS2的室温电子迁移率高达160cm2/V·s（平均110cm2/V·s），p型WSe2的室温空穴迁移率高达173cm2/V·s（平均131cm2/V·s）。

相关研究成果以“Robust epitaxy of single-crystal transition-metal dichalcogenides on lanthanum-passivated sapphire”为题发表在Science上。

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【核心创新点】

1、本文发现通过用单层镧（La）钝化c面蓝宝石表面，可以打破其原子中心反演对称性，使用La钝化的c面蓝宝石表面（La-Al2O3（0001））作为单晶TMDC的通用外延衬底。

2、在n型MoS2和p型WSe2上制造的场效应晶体管在室温下分别表现出110cm2/V·s和131cm2/V·s的平均迁移率。

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【数据概览】

图1、La-Al2O3（0001）的结构分析© 2025 AAAS

图2、在La-Al2O3（0001）上实现TMDCs的生长。© 2025 AAAS

图3、MoS2在La-Al2O3（0001）上的外延关系© 2025 AAAS

图4、150mm单晶TMDC晶圆的进一步表征。© 2025 AAAS

图5、进一步电化学性能测试© 2025 AAAS

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【成果启示】

作者证明了La钝化可以打破Al2O3（0001）表面的原子中心反演对称性，首次实现了直径达150mm的单晶TMDCs（MoS2、MoSe2、WS2和WSe2）的外延生长。与以往仅适用于特定材料和生长过程的方法不同，La-Al2O3（0001）衬底因表面对称性降低至P1且反平行域之间的能量差增加高达200倍，提供了一种稳健的机制。这使得通过广泛的化学气相沉积（CVD）和金属有机CVD（MOCVD）工艺可靠地生长单晶TMDCs成为可能，为二维半导体的工业规模生产铺平了道路。全面的表征和器件测量证实了TMDCs的卓越均匀性和质量。TMDCs可以轻松从衬底上剥离并转移到硅片上，在n型MoS2和p型WSe2上制造的场效应晶体管在室温下分别表现出110cm2/V·s和131cm2/V·s的平均迁移率，为这些材料设定了新的标准。

文献链接：“Robust epitaxy of single-crystal transition-metal dichalcogenides on lanthanum-passivated sapphire”（Science，2024，10.1126/science.aea0849）