日本国立研究开发法人物质和材料研究机构(NIMS)的佐久间芳树特别研究员与东京大学研究生院工学系研究科材料工学专业的长汐晃辅教授等人的研究团队，通过与名古屋大学、筑波大学及东京电子技术解决方案公司（Tokyo Electron Technology Solutions Ltd.）的联合研究，在采用有机金属化学气相沉积法（MOCVD）生长单层厚度二硫化钼（MoS₂）时，发现了2项关键的成膜机制——蓝宝石衬底上MoS₂结晶粒的自对准融合，以及生长膜厚的自停止。通过利用这两种机制，有望实现单层MoS₂单晶膜在晶圆级尺度上的高重复性外延生长。同时，通过电子迁移率的温度依赖性分析，还证实了该方法制备的MoS₂缺陷密度低且品质优，为在晶圆级尺度上稳定制备高品质、高均一性的二维半导体单晶薄膜开辟了新路径。相关研究成果已发表在《Nature Communications》上。
图1 MoS₂单晶晶圆和器件组（供图：东京大学）
目前，硅半导体器件正逐渐接近细微化的极限，在亚1纳米技术节点，亟需能够抑制短沟道效应的新型半导体材料。其中一种候选材料即为原子层厚度仅0.7纳米的二维材料。特别是MoS₂，因具有优异的电气和机械性能，被认为是下一代逻辑器件的有力沟道材料候选。
为了实现实际应用，需要能够稳定生长出高质量和原子厚度的单晶性MoS₂膜，而在实现过程中，在再现性和大面积化方面存在挑战课题，此外还存在由于晶界的形成而导致电子迁移率显著劣化等问题。
研究团队在有利于工业化应用的高可控性MOCVD方法的基础上，开发出了一种新方法。利用该方法研究人员在c面蓝宝石衬底上生长MoS₂，并分时详细观察了生长过程。结果发现了一种新的自对准生长机制，该机制与既往的“在一个方向上排列成核并连接”的方法不同，在核的初期生成过程中，单个MoS₂晶粒以具有扭转角度的原子排列形成，与蓝宝石衬底形成亚稳态超晶胞关系。随着继续生长，当60°反平行畴或旋转畴合并时会自发消失，最终形成最稳定的能量取向为0°的单晶。
此外，研究人员还发现使用该方法选择的钼前驱体（MoO₂Cl₂）的反应特性能够导致MoS₂晶体在单层厚度下自动停止生长。这是在使用普通CVD方法无法实现的独特性能。通过拉曼测量和光致发光测量已经证实，即使延长生长时间，也几乎不会发生第二层生长，并且膜厚在2英寸尺度上保持均匀。该膜厚自停止机制有望应用于直径300mm的大直径晶圆上的原子层成膜。
研究人员将通过以上方式获得的MoS₂转移SiO₂/Si衬底制造晶体管，测得室温下66cm²/Vs和20开尔文下749cm²/Vs的高迁移率。这种迁移率的温度依赖性表明声子散射占主导地位，证实获得了几乎没有晶界的高质量单晶。
本研究获得了无晶界单晶（实现高迁移率器件）、自限性单层生长（保证膜厚均匀性）以及可采用MOCVD技术生成晶体（与现有半导体工业直接挂钩的工艺兼容性）等3大特性，满足了二维半导体作为替代硅的下一代逻辑材料面向实际应用的重要要求。
未来，研究团队将致力于进一步降低缺陷密度，将应用范围扩大到MoS₂以外的过渡金属二硫属化物（WSe₂等），并以工业规模打造大面积集成器件。这将为下一代低功耗电子、光通信器件乃至IoT（物联网）传感器技术做出巨大贡献。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Self-aligned and self-limiting van der Waals epitaxy of monolayer MoS2 for scalable 2D electronics
DOI：10.1038/s41467-026-68320-8
