我国突破12英寸二维半导体晶圆批量制备技术

2023-07-28

（信息来源：半导体产业纵横）近日，《科学通报》以《模块化局域元素供应技术批量制备12英寸过渡金属硫族化合物》为题，在线发表了松山湖材料实验室/北京大学教授刘开辉、中国科学院院士王恩哥团队，松山湖材料实验室/中国科学院物理研究所研究员张广宇团队及合作者最新研究成果。

该研究提出模块化局域元素供应生长技术，成功实现了半导体性二维过渡金属硫族化合物晶圆批量化高效制备，晶圆尺寸可从2英寸扩展至与现代半导体工艺兼容的12英寸，有望推动二维半导体材料由实验研究向产业应用过渡，为新一代高性能半导体技术发展奠定了材料基础。

a. 过渡金属硫族化合物晶圆批量化制备装置及示意图；b. 单批次制备15片2英寸MoS2晶圆；c. 350-mm管径自动控制化学气相沉积管式炉；d. 2-12英寸MoS2晶圆照片；e. 单批次制备3片12英寸MoS2晶圆。

近年来，二维过渡金属硫族化合物是最具应用前景的二维半导体材料体系之一，具备层数依赖的可调带隙、自旋-谷锁定特性、超快响应速度、高载流子迁移率、高比表面积等优异的物理性质，有望推动新一代高性能电子、光电子器件变革性技术应用。与传统半导体发展路线类似，晶圆材料是推动二维半导体技术迈向产业化的根基。如何实现批量化、大尺寸、低成本制备二维半导体晶圆是亟待解决的科学问题。

自2016年以来，北京大学物理学院刘开辉教授、俞大鹏院士、王恩哥院士等针对二维材料生长问题开展了系统研究，逐步发展出一套大尺寸二维材料的原子制造通用技术。实现了以米级石墨烯（Science Bulletin 2017, 62, 1074）、分米级六方氮化硼（Nature 2019, 570, 91）、晶圆级过渡金属硫族化合物（Nature Nanotechnology 2022, 17, 33；Nature Communications 2022, 13, 1007）为代表的大尺寸二维单晶材料调控生长及30余种A4尺寸高指数单晶铜箔库的制备（Nature 2020, 581, 406）。然而，相比于单个晶圆的过渡金属硫族化合物薄膜，大尺寸、批量化晶圆薄膜的制备仍极具挑战性。目前，基于化学气相沉积技术制备的二维半导体晶圆尺寸主要集中在2-4英寸，生产效率通常限制于每批次一片，难以满足逐渐增长的二维半导体在基础研究、产业化制造等方面的材料需求。

针对上述难题，刘开辉团队与合作者提出了一种全新的模块化局域元素供应生长策略，实现了2-12英寸过渡金属硫族化合物晶圆的批量化制备。实验设计将过渡金属硫族化合物制备所需的多种前驱体与生长衬底，以“面对面”模式组装构成单个生长模块。过渡金属元素与硫族元素按精确比例局域供应至生长衬底，实现单层过渡金属硫族化合物晶圆的高质量制备；多个生长模块可通过纵向堆叠组成阵列结构，实现多种尺寸晶圆薄膜的低成本批量化制备（2英寸晶圆15片/批次；12英寸晶圆3片/批次）。此外，这一模块化策略适用于过渡金属硫族化合物薄膜的后处理工艺，可精准制备“双面神”（Janus）型MoSSe结构，MoS2(1-x)Se2x合金以及MoS2-MoSe2平面异质结等，为后续二维材料阵列化与功能化设计带来更多自由度。该研究成果为二维半导体晶圆的大尺寸、规模化制备提供了一种全新的技术方案，有望推动二维材料在高性能电子学与光电子学方向等诸多优异性能走向产业应用。

该研究成果为二维半导体晶圆的大尺寸、规模化制备提供了一种全新的技术方案，有望推动二维半导体走向产业应用。

值得一提的是，松山湖材料实验室在前沿科学研究和创新样板工厂两大核心板块都布局了二维半导体方向的研究。近3年来，该实验室针对二维半导体晶圆制备和规模化器件构筑取得系列进展，在国际上引起广泛关注。

2D半导体材料的未来路线图

2D 半导体研究始于 2011 年左右。从首次提出至今，石墨烯和2D材料（2DM）在科学和工程领域的研究已经持续了15年。

从国外进度来看，美国MIT于2019年开发用碳纳米管制造的超大计算机芯片，一颗由1．4万余个碳纳米管晶体管（CNFET）组成的16位微处理器，证明可以完全由CNFET打造超越硅的微处理器。

2021年，欧盟“石墨烯旗舰计划”，提出了一种将石墨烯和2D材料集成到半导体生产线的新方法，耗资2000万欧元的“二维实验试验线（2D－EPL）”，旨在成为首家将石墨烯和层状材料集成到半导体平台的石墨烯晶圆厂，将基于2D材料的创新技术从实验室引向规模化生产和商业化落地。

2022年，韩国科学技术研究院宣布，由光电材料与器件中心的 Do Kyung Hwang 博士和物理系的 Kimoon Lee 教授领导的联合研究小组在国立群山大学通过开发新型超薄电极材料（Cl－SnSe2），成功实现了基于二维半导体的电子和逻辑器件，其电气性能可以自由控制。

国内方面，对于2D材料的研究也热火朝天。

中国松山湖材料实验室围绕2D材料研究的关键问题，实验室布局了四大方向，涵盖了从基础科研到应用探索的关键节点，具体是：2D材料的基础物理、高通量计算与理性设计，2D材料规模化制备与极限表征，二维体系中的奇异量子现象研究，基于2D材料的兼容工艺研发与原型器件探索。

中国科学院金属研究所于2019年10月制备出“硅-石墨烯-锗晶体管”，大幅缩短延迟时间，并将截止频率由兆赫兹提升至吉赫兹。中国科学院物理研究所张广宇团队在基于2D材料的透明、柔性器件大规模制备工艺方面取得突破性进展，实现了柔性衬底上集成度大于 1000 且良品率达到 97%。

此外，北京大学、南京大学、复旦大学等高校都在2D材料的研究上有所突破。