beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室劉開輝教授課題組與合作者提出模塊化局域元素供應生長技術，成功實現了半導體性二維過渡金屬硫族化合物晶圓批量化高效制備，晶圓尺寸可從2英寸擴展至與當代主流半導體工藝兼容的12英寸，有望推動二維半導體材料由實驗研究向産業應用過渡，為新一代高性能半導體技術發展奠定了材料基礎。2023年7月4日，相關研究以“模塊化局域元素供應技術批量制備12英寸過渡金屬硫族化合物晶圓”（Modularized Batch Production of 12-inch Transition Metal Dichalcogenides by Local Element Supply）為題，在線發表于《科學通報》（Science Bulletin）。
近年來，二維過渡金屬硫族化合物是最具應用前景的二維半導體材料體系之一，具備層數依賴的可調帶隙、自旋-谷鎖定特性、超快響應速度、高載流子遷移率、高比表面積等優異的物理性質，有望推動新一代高性能電子、光電子器件變革性技術應用。與傳統半導體發展路線類似，晶圓級二維半導體的批量制備，是推動相應先進技術向産業化過渡的關鍵所在。二維半導體薄膜尺寸需達到與矽基技術兼容的直徑300 mm（12-inch）标準，以平衡器件産量與制造成本。因此，批量化、大尺寸、低成本制備過渡金屬硫族化合物晶圓是二維材料走向實際應用亟待解決的關鍵問題之一。
自2016年以來，beat365官方网站劉開輝教授、俞大鵬院士、王恩哥院士等針對二維材料生長問題開展了系統研究，逐步發展出一套大尺寸二維材料的原子制造通用技術。實現了以米級石墨烯（Science Bulletin 2017, 62, 1074）、分米級六方氮化硼（Nature 2019, 570, 91）、晶圓級過渡金屬硫族化合物（Nature Nanotechnology 2022, 17, 33； Nature Communications 2022, 13, 1007）為代表的大尺寸二維單晶材料調控生長及30餘種A4尺寸高指數單晶銅箔庫的制備（Nature 2020, 581, 406）。然而，相比于單個晶圓的過渡金屬硫族化合物薄膜，大尺寸、批量化晶圓薄膜的制備仍極具挑戰性。目前，基于化學氣相沉積技術制備的二維半導體晶圓尺寸主要集中在2-4英寸，生産效率通常限制于每批次一片，難以滿足逐漸增長的二維半導體在基礎研究、産業化制造等方面的材料需求。
針對上述難題，劉開輝團隊與合作者提出了一種全新的模塊化局域元素供應生長策略，實現了2-12英寸過渡金屬硫族化合物晶圓的批量化制備。實驗設計将過渡金屬硫族化合物制備所需的多種前驅體與生長襯底，以“面對面”模式組裝構成單個生長模塊。過渡金屬元素與硫族元素按精确比例局域供應至生長襯底，實現單層過渡金屬硫族化合物晶圓的高質量制備；多個生長模塊可通過縱向堆疊組成陣列結構，實現多種尺寸晶圓薄膜的低成本批量化制備（2英寸晶圓15片/批次；12英寸晶圓3片/批次）。此外，這一模塊化策略适用于過渡金屬硫族化合物薄膜的後處理工藝，可精準制備“雙面神”（Janus）型MoSSe結構，MoS2(1-x)Se2x合金以及MoS2-MoSe2平面異質結等，為後續二維材料陣列化與功能化設計帶來更多自由度。該研究成果為二維半導體晶圓的大尺寸、規模化制備提供了一種全新的技術方案，有望推動二維材料在高性能電子學與光電子學方向等諸多優異性能走向産業應用。
beat365前沿交叉學科研究院2021級博士生薛國棟、beat365官方网站2022級博士生隋鑫、中國人民大學物理學系2022級碩士生殷鵬、beat365“博雅”博士後周子琦為論文共同第一作者；beat365官方网站劉開輝教授、中國人民大學劉燦研究員、中科院物理所張廣宇研究員為共同通訊作者。其他主要合作者還包括beat365王恩哥院士、高鵬教授、武漢大學何軍教授、清華大學李群仰教授等。
研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目、中國科學院戰略性先導科技專項、北京市科學技術委員會重大專項，及beat365人工微結構與介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、量子物質科學協同創新中心、beat365電子顯微鏡實驗室和松山湖材料實驗室等的大力支持。
文章鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323004206
a. 過渡金屬硫族化合物晶圓批量化制備裝置及示意圖；b. 單批次制備15片2英寸MoS2晶圓；c. 350-mm管徑自動控制化學氣相沉積管式爐；d. 2-12英寸MoS2晶圓照片；e. 單批次制備3片12英寸MoS2晶圓。
