南大王欣然教授团队在《Science》发文，率先突破6英寸二维半导体单晶量产化制备技术

南大2025年Nature/Science(一作+通讯）正刊论文如下

南大2024年Nature/Science正刊论文如下

南京大学王欣然课题组在《Science》发文

稀土原子“点石成晶”！

2025年7月17日，南京大学集成电路学院教授王欣然、南京大学集成电路学院副教授李涛涛、苏州实验室研究员丁峰为共同通讯作者在全球顶级科研期刊《Science》发表了题为“Robust epitaxy of single-crystal transition-metal dichalcogenides on lanthanum-passivated sapphire”的研究论文。南京大学为论文第一完成单位。南京大学博士研究生邹茜璐为本文第一作者。

南京大学王欣然教授团队在国际上率先突破6英寸二维过渡金属硫族化合物半导体（以下简称二维半导体）单晶量产化制备技术。

TOP小编注意到，这是南京大学2025年的第5篇N/S正刊论文（通讯+一作），南大本年度第6篇N/S正刊论文（通讯作者）。

二维半导体具有原子级厚度，能有效降低晶体管功耗，实现三维异质异构集成，是延续集成电路摩尔定律的首选材料。大尺寸单晶晶圆是集成电路规模化制造的基石，2021年，王欣然教授团队通过蓝宝石衬底斜切设计，首次报道了2英寸二维半导体单晶生长（Nat. Nanotechnol. 16, 1201-1206 (2021)），证明了大尺寸单晶的可能性。

然而，二维半导体长期难以走出实验室。实验室级别的化学气相沉积（CVD）技术在晶圆尺寸、重复性和均一性等方面难以满足产业需求，而金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术虽然具备均匀性和规模化优势，但只能生产多晶材料，无法满足高端元器件需求。形象地说，单晶就像高速公路，电子在上面可以快速通行；多晶不仅是小路，而且有很多红绿灯，电子没走几步就得减速、拐弯甚至堵车，器件性能自然欠佳。

图1 镧修饰的蓝宝石衬底上实现二维半导体单晶外延

研究成果概况

蓝宝石是理想的产业化外延衬底，但由于高对称性，二维半导体存在多个等价方向，拼接时容易产生多晶。该研究的革命性突破在于团队开发的稀土原子表面修饰技术——在蓝宝石表面构建镧单原子层。虽然只有一个原子层的厚度，但是却打破蓝宝石表面固有的对称性，让二维半导体成核锁定在同一个方向上，确保了晶畴的单向排列进而长成单晶。该技术解决了长久以来二维半导体制备存在的重复性、稳定性以及工艺窗口狭窄等局限，适用于多种材料和多种工艺条件。正是这一创新，将普通的蓝宝石衬底“点石成晶”，从根本上解决了二维半导体单晶规模化制备的难题。

基于量产化的MOCVD技术和镧表面修饰的蓝宝石衬底，团队一举实现了6英寸二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二硒化钨（WSe2）和二硒化钼（MoSe2）等二维半导体单晶的普适制备。多种光谱和电学表征技术证实了优异的材料质量和均一性，MoS2和WSe2的平均迁移率分别高达110cm2·V-1·s-1和131cm2·V-1·s-1，单晶尺寸、器件性能同步刷新记录，实现大尺寸与高质量兼得。

该工作实现了二维半导体单晶从实验室技术到量产化技术、从单一材料到多种材料普适性制备的跨越，标志着二维半导体产业化迈出关键一步，为集成电路、显示、传感等领域的规模化应用奠定了材料基础。韩国科学技术院的Kibum Kang教授在Science发表评论文章，认为该工作“解决了二维半导体应用于产业最关键的问题”。

图2 6英寸二维半导体单晶晶圆系列

图3 基于单晶MoS2的场效应晶体管阵列

作者简介

王欣然，南京大学集成电路学院党委书记、执行院长， 教授、博导。国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授。2004年本科毕业于南京大学物理系，2010年获得美国斯坦福大学物理学博士学位，2010-2011年期间先后在美国斯坦福大学和美国伊利诺伊大学香槟分校从事博士后研究工作，2011年回到南京大学工作。

现任全国青联委员，江苏省青联副主席，江苏省青年科技工作者协会副会长，国际学术期刊npj 2D materials and applications副主编，Nano Research、中国科学：信息科学、半导体学报等期刊编委。

主要从事低维信息材料、器件与集成电路的研究工作，在Science、Nature子刊和IEDM等国际权威期刊和会议发表论文100余篇，总引用超过20000次，多次入选全球高被引学者榜单。先后获得中国青年五四奖章、中国青年科技奖、江苏省科学技术一等奖、国家自然科学二等奖、中国物理学会黄昆物理奖等荣誉。

编辑、审核：石瑾鹏

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