近日，《科學(xué)通報(bào)》以《模塊化局域元素供應(yīng)技術(shù)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(shí)驗(yàn)室/北京大學(xué)教授劉開輝、中國科學(xué)院院士王恩哥團(tuán)隊(duì)，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院物理研究所研究員張廣宇團(tuán)隊(duì)及合作者最新研究成果。

研究團(tuán)隊(duì)提出模塊化局域元素供應(yīng)生長技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)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(kuò)展至與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝兼容的12英寸，有望推動二維半導(dǎo)體材料由實(shí)驗(yàn)研究向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用過渡，為新一代高性能半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展奠定了材料基礎(chǔ)。2023年7月4日，相關(guān)研究以“模塊化局域元素供應(yīng)技術(shù)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(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）。

二維半導(dǎo)體是一種新興半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的物理化學(xué)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(yīng)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(shù)應(yīng)用中的重要候選材料。二維半導(dǎo)體材料以單層過渡金屬硫族化合物為代表。

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

圖a. 松山湖材料實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將所需的多種前驅(qū)體與生長襯底以“面對面”模式組裝構(gòu)成單個(gè)生長模塊。過渡金屬元素與硫族元素按精確比例局域供應(yīng)至生長襯底，實(shí)現(xiàn)單層過渡金屬硫族化合物晶圓的高質(zhì)量制備。多個(gè)生長模塊可通過縱向堆疊組成陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)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(dǎo)體晶圓的大尺寸、規(guī)模化制備提供了一種全新的技術(shù)方案，有望推動二維半導(dǎo)體走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

松山湖材料實(shí)驗(yàn)室在前沿科學(xué)研究和創(chuàng)新樣板工廠兩大核心板塊都布局了二維半導(dǎo)體方向的研究。近三年來，輕元素先進(jìn)材料與器件團(tuán)隊(duì)和二維材料團(tuán)隊(duì)針對二維半導(dǎo)體晶圓制備和規(guī)模化器件構(gòu)筑取得了系列進(jìn)展，在國際上引起了廣泛關(guān)注。

據(jù)了解，研究工作中用到的關(guān)鍵裝備——大尺寸單晶中試產(chǎn)線——是松山湖材料實(shí)驗(yàn)室輕元素先進(jìn)材料與器件團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新樣板工廠項(xiàng)目和廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目支持下建設(shè)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(xué)器件加工與測試則基于松山湖材料實(shí)驗(yàn)室公共技術(shù)平臺下設(shè)的微加工與器件子平臺，其規(guī)劃超凈實(shí)驗(yàn)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。