近日，《科學通報》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》為題，在線發(fā)表了松山湖材料實驗室/北京大學教授劉開輝、中國科學院院士王恩哥團隊，松山湖材料實驗室/中國科學院物理研究所研究員張廣宇團隊及合作者最新研究成果。

研究團隊提出模塊化局域元素供應生長技術，成功實現(xiàn)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英寸擴展至與現(xiàn)代半導體工藝兼容的12英寸，有望推動二維半導體材料由實驗研究向產(chǎn)業(yè)應用過渡，為新一代高性能半導體技術發(fā)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”（Modularized Batch Production of 12-inch Transition Metal Dichalcogenides by Local Element Supply）為題，在線發(fā)表于《科學通報》（Science Bulletin）。

二維半導體是一種新興半導體材料，具有優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，如層數(shù)依賴的可調(diào)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，因此成為新一代高性能電子、光電器件等變革性技術應用中的重要候選材料。二維半導體材料以單層過渡金屬硫族化合物為代表。

與傳統(tǒng)半導體發(fā)展路線類似，晶圓材料是推動二維半導體技術邁向產(chǎn)業(yè)化的根基。如何實現(xiàn)批量化、大尺寸、低成本制備二維半導體晶圓是亟待解決的科學問題。研究人員提出了一種全新的模塊化局域元素供應生長策略，實現(xiàn)了二維半導體最大到12英寸晶圓的批量化制備。

圖a. 松山湖材料實驗室大尺寸單晶中試產(chǎn)線；b. 2-12英寸MoS2晶圓照片。

為了解決批量化制備的難題，研究人員在單層過渡金屬硫族化合物制備過程中，實驗設計將所需的多種前驅(qū)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確比例局域供應至生長襯底，實現(xiàn)單層過渡金屬硫族化合物晶圓的高質(zhì)量制備。多個生長模塊可通過縱向堆疊組成陣列結(jié)構，實現(xiàn)多種尺寸晶圓薄膜的低成本批量化制備。

該研究成果為二維半導體晶圓的大尺寸、規(guī)模化制備提供了一種全新的技術方案，有望推動二維半導體走向產(chǎn)業(yè)應用。

松山湖材料實驗室在前沿科學研究和創(chuàng)新樣板工廠兩大核心板塊都布局了二維半導體方向的研究。近三年來，輕元素先進材料與器件團隊和二維材料團隊針對二維半導體晶圓制備和規(guī)模化器件構筑取得了系列進展，在國際上引起了廣泛關注。

據(jù)了解，研究工作中用到的關鍵裝備——大尺寸單晶中試產(chǎn)線——是松山湖材料實驗室輕元素先進材料與器件團隊在實驗室創(chuàng)新樣板工廠項目和廣東省重點領域研發(fā)計劃項目支持下建設的面向單晶二維材料及單晶金屬箔材料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的中試生產(chǎn)裝備，能夠生產(chǎn)各類大尺寸單晶二維材料和單晶金屬箔材料，具備10000片/年/臺的生產(chǎn)能力；電學器件加工與測試則基于松山湖材料實驗室公共技術平臺下設的微加工與器件子平臺，其規(guī)劃超凈實驗室面積超過1000平方米，具備器件級全流程微納加工工藝整合開發(fā)測試能力。