南京大学/苏州实验室，重磅Science！

一、研究背景

二维过渡金属二硫属化物（TMDCs）被设想为将半导体技术推向原子极限的沟道材料，也是实现超越1纳米节点晶体管缩放的潜力材料。

二、关键问题

目前，当前研究主要存在以下问题：

1、缺乏通用且稳健的外延策略

缺乏一种能够普遍、稳健地实现单取向 TMDCs 外延生长的衬底。现有的单晶 TMDC 生长方法（如基于衬底台阶）往往需要在狭窄的工艺窗口内操作，并且在重复性和大面积均匀性方面面临挑战，难以满足大规模生产的要求。

2、衬底对称性导致的畴反平行问题

广泛使用的c面蓝宝石 [Al2O3(0001)] 衬底的顶层具有近乎中心反演对称性。这种对称性导致 TMDC 畴形成反平行取向，并在晶界处产生镜面晶界。反平行畴之间的结合能差异极小，使得它们具有相等的成核概率，难以实现单向对齐。

三、新思路

有鉴于此，南京大学/苏州实验室王欣然教授、李涛涛副教授，苏州实验室丁峰教授等人报道了在镧钝化的c面蓝宝石上外延150毫米的单晶TMDC晶片。镧的单原子层降低了表面对称性，使反平行畴之间的能量差增加了多达200倍，导致单向畴排列。作者采用化学气相沉积( CVD )和金属有机CVD两种方法生长了单晶二硫化钼( MoS2 )、二硒化钼( MoSe2 )、二硫化钨( WS2 )和二硒化钨( WSe2 )。晶圆级的光谱和器件测量证明了150毫米TMDCs的优异质量和均匀性，在室温下MoS2和WSe2的平均迁移率分别为110和131平方厘米每伏每秒。

技术方案：

1、制备了La-Al2O3(0001) 并表征了其结构

作者阐述了La-Al₂O₃(0001) 衬底制备及特性：旋涂硫酸镧后退火，La 钝化降低表面对称性，XPS 确认 +3 氧化态，HAADF-STEM 显示周期性排列。

2、展示了TMDCs在La-Al2O3(0001) 上的通用生长

作者在不同倾角和方向的 La-Al₂O₃(0001) 衬底上生长 MoS₂等 TMDC，实现单向畴对齐，不受衬底倾角、方向及前驱体类型影响，对齐率超 95.6%。

3、解析了外延关系与物理机制

La钝化显著提高反平行畴结合能差异，增强 TMDC 畴取向对齐，减小临界畴尺寸，通过减少界面间距和增强静电结合实现对齐增强。

4、演示了150 毫米晶圆级单晶 TMDC 和器件性能

作者利用MOCVD 法生长了150毫米单晶TMDC晶圆，均匀性和质量优异，易剥离，无La掺杂，制成FET阵列，性能良好，适于CMOS逻辑电路。

技术优势：

1、通过对称性调控实现了单向外延

通过单层镧钝化c面蓝宝石，成功地将表面对称性从P3降低到 P1，从而打破了衬底的中心反演对称性，并使反平行畴之间的结合能差异显著增大（最高近 200 倍）。这一机制有效地实现了 TMDCs 畴的单向对齐，无需依赖于传统方法中的衬底台阶。

2、首次实现了晶圆级高品质通用生长

本文建立了通用且稳健的生长途径，首次实现了150毫米单晶TMDC晶圆的规模化生产，且材料质量和均匀性表现优异。该方法与MOCVD工艺兼容，其 MoS2 和WSe2器件的室温迁移率达到了创纪录的水平（110 cm²/V·s 和 131 cm²/V·s），并展示了纯二维半导体在CMOS逻辑应用中的巨大潜力。

技术细节

La-Al2O3(0001) 的制备与结构

La-Al2O3(0001) 衬底是通过将硫酸镧溶液旋涂在带有台阶的蓝宝石晶圆上，然后在1000°C空气中退火4小时来制备的。该过程仅修改了表面层，保留了蓝宝石衬底上的原子台阶。基于密度泛函理论 (DFT) 的结构优化表明，La 钝化使表面对称性从 P3 降低到 P1，打破了原始 Al2O3(0001) 上反平行畴的伪简并性。实验通过 X 射线光电子能谱 (XPS) 确认了 La 处于 +3 氧化态。高角环形暗场扫描透射电子显微镜 (HAADF-STEM) 图像显示 La 原子在表面呈现周期性亮行，证实了 La 原子的存在和排列。DFT 计算的最稳定结构模型显示 La 原子占据六重对称的 Al 位点，顶层氧原子发生自发重构，产生了较低的 P1 表面对称性。由于 La 的原子半径比 Al 大约 30%，导致沿 <0001> 方向的层间距扩大到 2.96 Å (原始蓝宝石为 2.12 Å)。

图 La-Al2O3（0001）的结构

TMDCs在La-Al2O3(0001) 上的通用生长

研究人员使用MoS2作为模型系统，在不同倾角和方向（例如 C/A-1°、C/M-0.2° 到 -6°、C/A&M-0.2°）的 La-Al2O3(0001) 衬底上进行了 CVD 生长。实验结果显示，La-Al2O3(0001) 无论衬底倾角和方向如何，都实现了单向畴对齐，这与先前结果中MoS2只有在特定衬底（C/A）上才能实现单向对齐的情况形成对比。原子力显微镜 (AFM) 观察表明，TMDC 畴的对齐由 TMDC 层与 La-Al2O3(0001) 表面之间的范德华相互作用控制，而非衬底台阶。该方法还具有空前的工艺通用性，在各种 CVD 和 MOCVD 前驱体组合下（例如固态 MoO3/S、气态 H2S/固态 MoO3、或金属有机物 Mo(CO)6）均观察到 R0° 单向对齐。此外，该方法成功应用于 WS2、WSe2 和 MoSe2 的生长，所有这四种 TMDC 材料均实现了单畴取向，且不依赖于前驱体化学性质。统计数据显示，在 La-Al2O3(0001) 衬底上，所有条件的单向对齐百分比均高于 95.6%。

图 La-Al2O3（0001）上单一取向TMDC的普适生长

图 MoS2在La-Al2O3（0001）上的外延关系

外延关系与物理机制

理论分析显示，La 钝化通过对称性调节，大幅提高了反平行畴之间的结合能差异。在原始 Al2O3(0001) 表面上，MoS2 的结合能在 30° 和 -30° 处存在近乎等效的次级最小值，能量差仅为 5.6 meV/nm²，导致反平行畴。但在 La-Al2O3(0001) 表面上，结合能曲线在 0° 处只有一个深最小值。0° 最小值与 60° 次级最小值之间的能量差高达 149 meV/nm²，是原始衬底上的 26 倍。这种巨大的能量差异有效地实现了畴取向的表面调制。对所有四种 TMDC 材料而言，这种增强的结合能差异是普遍适用的，其中 WS2 的差异增加了近 200 倍。从动力学角度看，La-Al2O3(0001) 表面将实现完美对齐所需的临界畴尺寸显著减小：在原始表面上，临界尺寸为 17.88 纳米，而在 La-Al2O3(0001) 上，单向畴的热力学概率在畴尺寸为 3.5 纳米时即可升至 99.9%。进一步分析表明，La 钝化通过减少范德华界面间距（0° 取向为 2.94 Å，相比于 60° 的 3.04 Å）和增强静电结合（存在显著电荷转移）来增强对齐。

图 150 mm单晶TMDC晶片的表征

150 毫米晶圆级单晶 TMDC 和器件性能

由于该方法与 MOCVD 兼容，因此可以很容易地扩展到大规模和高产量生产。作者使用 MOCVD 系统生长了 150 毫米直径的单晶 MoS2、WS2、WSe2 和 MoSe2 晶圆。晶圆级表征证实了 150 毫米 TMDC 晶圆具有优异的均匀性和单晶质量。通过水基转移工艺，MoS2可以轻松地从 La-Al2O3(0001) 上剥离，产率接近 100%。进一步的 XPS 分析显示转移后的 MoS2 中没有可检测到的 La 信号，表明 La 在生长过程中没有掺杂到晶格中。为了评估电学性能，将 MoS2 转移到 200 毫米硅片上制造了场效应晶体管 (FET) 阵列。测试的 240 个器件显示出增强模式的 n 型操作，产率达到 100%。平均室温电子迁移率为110 cm²/V·s（最高 160 cm²/V·s），且跨晶圆的迁移率变化仅为13.5%。p 型 WSe2 FETs 的平均空穴迁移率为 131 cm²/V·s（最高 173 cm²/V·s）。MoS2和WSe2中平衡的电子/空穴迁移率表明，该材料有潜力用于基于纯二维半导体的CMOS逻辑电路。

图 150 mm单晶MoS2的电性能

五、展望

总之，本研究实现了150毫米单晶过渡金属二硫化物（TMDC）晶片的稳健生长。通过La钝化降低Al₂O₃（0001）表面对称性，增加反平行畴结合能差，实现单方向对齐的畴，不受材料类型、衬底误切、生长过程及前体类型影响。光谱和器件测量显示TMDC质量优异、均匀性好，解决了2D半导体商业化关键问题，为未来电子学发展提供新视野。目前尺寸受限于蓝宝石衬底，有望扩展至300毫米，是下一代电子产品单晶TMDC晶片规模化生产的重大突破。

参考文献：

XILU ZOU, et al. Robust epitaxy of single-crystal transition-metal dichalcogenides on lanthanum-passivated sapphire. Science, 2025, 390( 6771).

DOI: 10.1126/science.aea0849

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea0849-contributors