科研進展 | 二維半導體材料製備工藝新突破，加速柔性電子器件應用

在半導體器件不斷小型化以及柔性化的主流趨勢下，以二硫化鉬（MoS2）等過渡金屬硫屬化合物（TMDC）為代表的二維半導體材料顯示出獨特的優勢。國際半導體聯盟在2015年的技術路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）中明確地指出它是下一代半導體器件的關鍵材料。二維半導體材料具有超薄厚度（單原子層或少原子層），優異的電學、光學、機械性能及多自由度可調控性，使其在未來的更輕、更薄、更快、更靈敏的電子學器件中具有優勢。

然而，現階段以器件應用為背景的單層二硫化鉬研究仍然存在以下兩個關鍵的科學問題：（1）材料製備，如何獲得高質量大尺度的二硫化鉬晶圓；（2） 器件工藝，如何實現高密度、高性能、大面積均一的器件加工。這是新型半導體材料從實驗室走向市場要經歷的共性問題，如能解決其高質量規模化製備和集成器件性能調控的關鍵科學障礙，必將有力推動二維半導體材料的應用發展進程，給柔性電子產業注入新的發展動力。

松山湖材料實驗室張廣宇副主任帶領的二維材料團隊，在過去十多年一直致力於高質量二維材料的外延、能帶調控、複雜結構疊層、功能電子器件和光電器件的研究。近期，團隊利用自主設計搭建的四英寸多源化學氣相沉積設備，採用立式生長方法在藍寶石襯底上成功外延製備了四英寸高質量連續單層二硫化鉬晶圓，所外延的高質量薄膜由高定向（0°和60°）的大晶粒（平均晶粒尺寸大於100 μm）拼接而成。在這種高定向的薄膜中，高分辨透射電子顯微鏡觀測到了近乎完美的4|4E型晶界。得益於獨特的多源設計，所製備的晶圓具有目前國際上報導中最高的電子學質量。相關工作發表在近期的Nano Letters 2020上。

四英寸高定向單層二硫化鉬外延晶圓

在此基礎之上，團隊進行了一系列器件加工工藝的優化，包括：（1）採用兼容的微加工工藝，逐層製作器件，保證了器件層與層之間的潔淨，實現了器件陣列加工的大面積均一性；（2）採用獨特的物理吸附與化學反應相結合的原子層沉積方法，提高了器件絕緣層質量；（3）採用金/鈦/金多層結構作為接觸電極，有效降低了器件的接觸電阻。

通過這些優化手段，成功實現了大面積二硫化鉬柔性電晶體以及邏輯器件（如反相器、或非門、與非門、與門、靜態隨機存儲器以及五環振蕩器等）的製作，器件表現出優異的功能特性。其中，柔性場效應電晶體器件密度可達1518個/平方釐米，產量高達97%，是目前已報導結果中最高指標。此外，單個器件還表現出優異的電學性能和柔韌性，開關比達到1010，平均遷移率達到55 cm2 V-1s-1，平均電流密度為35 μA μm-1。相關結果發表在近期的Nature Electronics 2020上。

大面積二硫化鉬柔性電晶體與柔性邏輯器件集成

二硫化鉬柔性反相器、或非門、與非門、與門、靜態隨機存儲器以及五環振蕩器

這兩項工作突破了晶圓級高質量二硫化鉬薄膜的外延技術，實現了二硫化鉬柔性電晶體器件及邏輯器件的高密度集成，為大面積柔性電子器件的發展提供了新的思路與技術基礎，預期可以有效推動二維半導體材料在柔性顯示屏、智能可穿戴器件方面的應用。

該系列工作由松山湖材料實驗室與中國科學院物理研究所聯合完成，並得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院B類先導專項、中科院青促會等項目的資助。