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摘要：此次成果是面向实现2D半导体“产业化晶圆规模增长”的重大进展：形成无晶界的单晶（实现高迁移率器件）；自我限制的单层生长（保证膜厚的均匀性）；MOCVD技术的利用（匹配现有半导体产业的工艺兼容性）。

关键词：MoS₂、单层膜、自组织、逻辑半导体、二维半导体

要点

使用MOCVD法，发现在蓝宝石衬底上MoS₂晶粒自组装并单晶化的新型成长机制。
通过选择独特的前驱体，发现成膜反应在单层厚度自我停止的新现象，在整个2英寸的晶圆上实现了均匀且再现性高的单层MoS₂膜。
通过两种成膜机制的协同效应实现了更高的电子迁移率。在着眼于量产化的晶圆尺寸下，满足了形成高品质单层MoS₂单晶膜这一产业界的要求，同时也是迈向下一代亚纳米尺寸逻辑晶体管的重要一步。

MoS2单晶晶圆和器件组

概要

研究小组着眼于使用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）的单层膜厚的二硫化钼（MoS₂）的生长，发现在蓝宝石衬底上MoS₂晶粒的自组装和成长膜厚自我停止这两种重要的成膜机制。利用这些机制，可以在晶圆尺寸上高再现性地实现单层MoS₂单晶膜的外延生长。此外，电子迁移率的温度相关性也证实了基于该方法的MoS₂具有低缺陷密度和高品质。

该成果开辟了在晶圆尺寸上稳定生产高品质且均匀的二维半导体（2D半导体）单晶薄膜的方法，对于将来在大规模集成电路、低功耗电子以及光电子设备中的应用也有很大的意义。

研究背景

以往使用硅的半导体器件已接近微型化的极限，在下一代亚纳米器件中，需要能够抑制短通道效应的新型半导体材料。作为其候补，原子层厚度仅为0.7 nm的二维材料（2D材料）受到关注。特别是具有出色电气和机械特性的MoS₂，被视为下一代逻辑器件的通道材料。

然而，为实现实用化，必须在晶圆尺寸上稳定地生成高品质且具有单晶性原子层厚度的MoS₂膜。在此前的研究中，尝试通过简易型化学气相沉积法（粉末原料CVD）使粉末原料在蓝宝石衬底上生成MoS₂，除了再现性和大面积化的课题以外，60°反平行域和旋转域（各域参见图2）的混合存在不可避免地形成晶界，导致作为晶体管性能指标的电子迁移率显著下降。

研究内容

本研究基于对产业发展有利、具有高可控性的MOCVD法，在c面蓝宝石衬底上使MoS₂生长，按时间序列对其生长过程进行详细观察。结果发现了一种新的“自组装生长机制”，与以往的“核生成沿一个方向对齐连接”的方法（图1）不同，核初始生成时，每个MoS₂晶粒与相对于蓝宝石衬底亚稳定的超级晶胞之间存在各自不同的特异角度（图2），之后随着生长的进行，60°反平行域和旋转域在结合时自发消亡，最终形成能量最稳定的0°取向单晶（图1）。这种现象与利用微分暗场透射电子显微镜（Differential DF-TEM）和4D- STEM进行的真实空间观察、以及基于第一原理计算的界面能量分析一致（图3）。

图1. 本方法与以往方法的区别

图2. MoS2 /蓝宝石的超级晶胞关系

图3. 通过Differential DF-TEM发现的自组装机制的直接证据：随着生长进行，60°反平行域（红色）和旋转域（蓝色）在结合时自发消失，最终形成能量最稳定的0°取向单晶（绿色）。

另外还明确，由于本方法选定的钼前体（MoO₂Cl₂）的反应特性，MoS₂的晶体生长在单层膜厚度上“自我停止”。这是通常的CVD法无法实现的独特性质，即使延长生长时间也几乎不会长出第二层，在2英寸尺寸上保持膜厚均匀性，通过拉曼测量和光致敏（PL）测量的映射也确认了这一事实（图4）。这种膜厚自停机制有望帮助在直径300mm的大尺寸晶圆上形成原子层膜。

图4. （a）自我限制的生长行为；（b）拉曼和（c）PL映射测量

（a）纵轴为吸光度，横轴为生长所需时间。与以往方法相比，本方法中的生长被限制在单层，也就是说第二层的生长几乎不发生，形成了均匀的单层膜。

（b）从拉曼测量的结果可知，制成膜的厚度是均匀的。

（c）纵轴为荧光（PL）强度，横轴为发光能量。在特定能量下观察到强PL，由此可知获得的MoS₂膜是高品质且均匀的单层膜。

将这样得到的MoS₂转印到SiO₂/Si衬底上制作晶体管时，测定出在室温下66cm² /Vs、20K下749cm² /Vs的高迁移率（图5）。这种迁移率的温度相关性表明声子散射占主导地位，并证实本方法可产生几乎没有晶界的高品质单晶。

图5. 迁移率随温度的变化及与室温下迁移率的比较

左：纵轴为迁移率，横轴为温度。可以看出迁移率随温度的变化而变化（存在温度相关性）；

右：室温下的迁移率比较。与包含MoS2的其他2D半导体相比，显示出更高的迁移率。

社会意义和今后计划

此次成果是面向实现2D半导体“产业化晶圆规模增长”的重大进展。特别是：

形成无晶界的单晶（实现高迁移率器件）
自我限制的单层生长（保证膜厚的均匀性）
MOCVD技术的利用（匹配现有半导体产业的工艺兼容性）

这三个特点满足了将2D半导体作为替代硅的新一代逻辑材料实现实用化的关键要求。

今后将进一步降低缺陷密度，并将其扩大应用于MoS₂以外的过渡金属硫族化合物（WSe₂等），争取实现产业规模的大面积集成器件化。通过这种方式，有望为下一代低功耗电子学、光通信设备以及IoT传感器技术做出巨大贡献。

https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2026-01-21-001

https://www.doi.org/10.1038/s41467-026-68320-8

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