日本國立研究開發法人物質和材料研究機構(NIMS)的佐久間芳樹特別研究員與東京大學研究生院工學系研究科材料工學專業的長汐晃輔教授等人的研究團隊，通過與名古屋大學、筑波大學及東京電子學解決方案公司（Tokyo Electron Technology Solutions Ltd.）的聯合研究，在採用有機金屬化學氣相沉積法（MOCVD）生長單層厚度二硫化鉬（MoS₂）時，發現了2項關鍵的成膜機制——藍寶石襯底上MoS₂結晶粒的自對準融合，以及生長膜厚的自停止。通過利用這兩種機制，有望實現單層MoS₂單晶膜在晶圓級尺度上的高重複性磊晶生長。同時，通過電子移動性的溫度依賴性分析，還證實了該方法製備的MoS₂缺陷密度低且品質優，為在晶圓級尺度上穩定製備高品質、高均一性的二維半導體單晶薄膜開闢了新路徑。相關研究成果已發表在《Nature Communications》上。
圖1 MoS₂單晶晶圓和器件組（供圖：東京大學）
目前，矽半導體元件正逐漸接近細微化的極限，在亞1奈米技術節點，亟需能夠抑制短通道效應的新型半導體材料。其中一種候選材料即為原子層厚度僅0.7奈米的二維材料。特別是MoS₂，因具有優異的電氣和機械性能，被認為是下一代邏輯裝置的有力溝道材料候選。
為了實現實際應用，需要能夠穩定生長出高質量和原子厚度的單晶性MoS₂膜，而在實現過程中，在再現性和大面積化方面存在挑戰課題，此外還存在由於晶界的形成而導致電子移動性顯著劣化等問題。
研究團隊在有利於工業化應用的高可控性MOCVD方法的基礎上，開發出了一種新方法。利用該方法研究人員在c面藍寶石襯底上生長MoS₂，並分時詳細觀察了生長過程。結果發現了一種新的自對準生長機制，該機制與既往的「在一個方向上排列成核並連接」的方法不同，在覈的初期生成過程中，單個MoS₂晶粒以具有扭轉角度的原子排列形成，與藍寶石襯底形成介穩定狀態超晶胞關係。隨著繼續生長，當60°反平行疇或旋轉疇合併時會自發消失，最終形成最穩定的能量取向為0°的單晶。
此外，研究人員還發現使用該方法選擇的鉬前驅體（MoO₂Cl₂）的反應特性能夠導致MoS₂晶體在單層厚度下自動停止生長。這是在使用普通CVD方法無法實現的獨特性能。通過拉曼測量和光致發光測量已經證實，即使延長生長時間，也幾乎不會發生第二層生長，並且膜厚在2英吋尺度上保持均勻。該膜厚自停止機制有望應用於直徑300mm的大直徑晶圓上的原子層成膜。
研究人員將通過以上方式獲得的MoS₂轉移SiO₂/Si襯底製造電晶體，測得室溫下66cm²/Vs和20克耳文下749cm²/Vs的高遷移率。這種遷移率的溫度依賴性表明聲子散射佔主導地位，證實獲得了幾乎沒有晶界的高質量單晶。
本研究獲得了無晶界單晶（實現高遷移率器件）、自限性單層生長（保證膜厚均勻度）以及可採用MOCVD技術生成晶體（與現有半導體工業直接掛鉤的工藝相容性）等3大特性，滿足了二維半導體作為替代矽的下一代邏輯材料面向實際應用的重要要求。
未來，研究團隊將致力於進一步降低缺陷密度，將應用範圍擴大到MoS₂以外的過渡金屬二硫屬化物（WSe₂等），並以工業規模打造大面積集成器件。這將為下一代低功耗電子、光通信器件乃至IoT（物聯網）感測器技術做出巨大貢獻。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Self-aligned and self-limiting van der Waals epitaxy of monolayer MoS2 for scalable 2D electronics
DOI：10.1038/s41467-026-68320-8
