集成電路摩爾定律是推動人類信息社會發展的源動力。當前，集成電路已經發展到5nm技術節點，繼續維持晶體管尺寸微縮需要尋求材料的創新。近年來，以MoS2為代表的二維半導體在電子器件和集成電路等領域獲得了迅速的發展，南京大學王欣然教授課題組在該領域長期積累，2021年在《Nature Nanotechnology》連續報道了大面積MoS2單晶制備以及MoS2驅動的超高分辨Micro-LED顯示技術兩個成果。

 

盡管學術界和工業界在單層二維半導體生長方面已經取得了很大的進展，但是單層材料在面向高性能計算應用時依然受限。相比于單層MoS2，雙層MoS2具有更窄的帶隙和更高的電子態密度，理論上可以提升驅動電流，更適合應用于高性能計算。然而，由于材料生長熱力學的限制，“1+1=2”的逐層生長方法難以給出均勻的雙層，因此層數可控的二維半導體外延制備一直是尚未解決的難題。

 

 

圖3 雙層MoS2生長機制

 

針對該問題，南京大學王欣然教授與東南大學合作，另辟蹊徑，提出了襯底誘導的雙層成核以及“齊頭并進”的全新生長機制，在國際上首次報道了大面積均勻的雙層MoS2薄膜外延生長。研究團隊首先進行了理論計算，發現雖然單層生長在熱力學上是最穩定的，但是通過在藍寶石表面構建更高的“原子梯田”，可以實現邊緣對齊的雙層成核，從而打破了“1+1=2”的逐層生長傳統模式局限（圖3）。研究團隊利用高溫退火工藝，在藍寶石表面上獲得了均勻分布的高原子臺階，成功獲得了超過99%的雙層形核，并實現了厘米級的雙層連續薄膜。原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜和熒光光譜等多種表征手段均證明了雙層薄膜的均勻性。進一步，團隊證明了雙層MoS2與藍寶石襯底具有特定的外延關系，以及雙層MoS2的層間具有2H和3R兩種堆垛模式，并在理論上給出了解釋。

 

 

圖4 雙層MoS2的晶體管器件性能

 

研究團隊進一步制造了雙層MoS2溝道的場效應晶體管（FET）器件陣列，并系統評估了其電學性能（圖4）。相比單層材料，雙層MoS2晶體管的遷移率提升了37.9%，達到~122.6cm2V-1S-1，同時器件均一性得到了大幅度提升。進一步，團隊報道了開態電流高達1.27 mA/μm的FET，刷新了二維半導體器件的最高紀錄，并超過了國際器件與系統路線圖所規劃的2028年目標。

 

該工作突破了層數可控的二維半導體外延生長技術，并且實現了最高性能的晶體管器件。南京大學電子科學與工程學院博士生劉蕾為第一作者，王欣然教授、李濤濤副研究員和東南大學王金蘭教授、馬亮教授為論文共同通訊作者，南京大學施毅教授、聶越峰教授、王鵬教授以及微制造與集成工藝中心對該工作進行了指導和支持。該研究得到了江蘇省前沿引領技術基礎研究、國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的資助。