高质量材料制备是推进二维半导体材料迈向集成电路应用的核心基础。近日，北京科技大学前沿交叉科学技术研究院张跃院士团队针对二维半导体材料难以制备出大面积单层单晶材料的关键挑战，创新设计了二维半导体材料的“张氏生长法”——二维熔融限域生长法（Two-dimensional Czochralski growth），成功实现了厘米级单层二硫化钼（MoS?）单晶晶畴的快速高质量生长，远超已报道的最大单晶晶畴尺寸。“张氏生长法”打破常规多点形核定向拼接的单晶生长方法，首次提出将熔融态前驱体二维化，调控液-液生长界面之间的形核势垒和扩散势垒，获得了二维半导体材料的单点形核面内快速外延生长。
随着集成电路尺寸不断微缩，传统硅基晶体管正面临电输运性能下降、泄漏电流陡增等关键挑战，亟待研发新型沟道材料支撑后摩尔时代集成电路快速发展。以二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）为代表的二维半导体材料不仅在极限尺寸下电输运特性优异，而且具有出众的静电调控特性，可有效克服硅基晶体管中的短沟道效应问题，成为后摩尔时代电子器件的重要候选材料。然而，传统的化学气相沉积（CVD）方法制备的二维TMDCs材料存在着单晶晶畴尺寸小、形核密度高、缺陷密度大、生长速率慢等问题，难以满足集成电路应用需求。
鉴于此，张跃院士团队率先发现高温熔融玻璃对钼源前驱体的铺展作用，通过二维熔融前驱体限域生长法实现快速且仅沿二维方向的晶体生长，成功生长出尺寸高达1.5 cm的单层MoS?单晶晶畴。该技术基于“液-液界面”上的“固-液-固结晶”过程，不仅极大地降低了衬底表面的形核密度，而且控制了晶体在生长时仅沿二维方向面内结晶，从而成功实现了从多晶MoS?到单晶MoS?的转变。通过快速过饱和结晶过程，实现了75 μm s-1的生长速率，明显高于已报道的二维MoS?生长方法。所生长的单层MoS?晶畴具有极高的均一性和2.9×1012 cm?2的超低缺陷密度。此外，团队还验证了该技术在2英寸单层MoS?晶圆生长的可行性，为未来的工业化生产奠定了基础。
图1. 二维半导体材料“张氏生长法”——二维熔融限域生长法
为了深入理解二维熔融限域生长法的机理，团队设计并实现了基于微型管式炉的原位观察实验，实验中首次发现液态前驱体在铺展过程中的干涉现象，证明了二维液膜的形成，原位观测到了二维MoS?单晶晶畴的二维熔融限域生长过程。提出的二维熔融限域生长法为制备高质量、可扩展的二维半导体材料提供了重要理论指导和实践经验。
得益于该生长技术制备的MoS?膜与生长基底之间的超低粘附力，团队研发了一种超洁净、快速且高质量的转移工艺。利用去离子水的毛细管力和表面张力，可将MoS?单层薄膜无损地从玻璃基底上剥离，并成功转移到两英寸硅片上，获得了最高迁移率高达105.4 cm2 V?1 s?1的单层MoS2，为后续的器件集成提供了便利。利用无损转移的MoS?薄膜，成功构建出了平均迁移率高达55 cm2 V?1 s?1、均一性约为15.9%的高性能晶体管阵列，同时研制出了沟道长度约为480 nm、饱和电流密度高达443.8 μA μm?1的短沟道晶体管。这表明所制备的MoS?质量优异且具有高均一性，能够满足高性能电子器件的需求。
本工作一经发表即得到了Nature Materials的专题评论，韩国工程院Jong-Hyun Ahn院士认为该工作“marking a clear advancement over previous techniques”。Nature
Review Materials主编Giulia Pacchioni在Highlight专栏中以“Large-scale single MoS2 crystals unlocked”为题介绍了本工作。
高质量、大尺寸的单晶MoS?材料可控制备，将加速二维半导体材料从基础研究向实际应用的转变，为集成电路、光电器件、传感器等领域带来革命性的变革，助力我国在全球半导体产业中占据更有利的竞争地位。该成果得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、北京市科技新星计划等项目的支持，以及前沿交叉科学技术研究院大型仪器共享管理平台的设备支持。
