以二维半导体性过渡金属硫属化合物(STMDCs)为代表的二维半导体材料具有原子级厚度、无悬挂键的平整表面、合适的带隙、较高的迁移率、强的光-物相互作用等优势，可用于构筑亚纳米晶体管并有效降低器件功耗，进而实现三维异质异构集成，是延续集成电路摩尔定律的重要候选材料。大尺寸单层STMDCs单晶晶圆的可控制备是实现其在集成电路中应用的关键，而实现这一目标的前提是选择并设计合适的单晶基底以诱导上层STMDCs的单一取向生长，进而使其无缝拼接形成单晶晶圆。目前绝缘性的蓝宝石基底因其价格低廉、热稳定性好、与半导体工艺兼容等优势，逐渐成为理想的外延生长基底，然而蓝宝石基底在高温退火后会形成高对称性的表面结构，使得上层STMDCs出现多个等价取向，拼接后会形成多晶薄膜，影响后续的高性能器件应用。如何对蓝宝石进行有效的表面修饰以降低其对称性、诱导STMDCs的稳健外延生长，是目前二维半导体单晶薄膜外延生长领域的重要科学问题。
基于此，北京大学材料科学与工程学院张艳锋教授课题组，联合北京大学电子学院邱晨光副教授、中国科学院理化技术研究所夏静高级工程师，提出了基于蓝宝石基底的同质金属元素表面修饰生长策略，即在蓝宝石基底表面先形成与上层STMDCs具有同种金属元素的修饰层，再进行二维半导体外延生长。理论和实验研究结果发现，该修饰层可有效降低蓝宝石表面的对称性，从而诱导上层STMDCs畴区的单一取向生长并无缝拼接生长成晶圆级单晶薄膜。该生长策略可有效解决二维半导体单晶薄膜制备上存在的生长取向度低、不同批次生长稳定性差及实验窗口狭窄等问题。总之，本工作提出了普适性的二维半导体外延生长的可行路线，深入理解了影响单晶外延生长的关键机制和因素，对于二维半导体单晶薄膜的晶圆级制备具有重要参考意义。相关成果以“Homo-metal-element mediated surface modification of sapphire for robust epitaxy of wafer-scale single-crystalline 2D semiconductors”为题发表于Nature Communications期刊。
图1 蓝宝石基底的同质金属元素表面修饰策略用于晶圆级单晶二维半导体材料的稳健外延
该策略的核心在于在蓝宝石表面沉积相应的金属氧化物后进行高温退火，蓝宝石中的Al2O3会与金属氧化物发生表面化学反应，形成具有O-M-O-Al型原子排布的表面修饰层（其中M为Mo或W），该修饰层具有一重对称性，可有效打破上层STMDCs生长时双取向畴区的能量简并，诱导单层STMDCs畴区的单一取向排列。在生长上结合“面对面”的金属前驱体供给策略，在较短时间内（约15分钟）实现2英寸单层STMDCs单晶薄膜的高品质、可重复制备。理论计算表明：与常用蓝宝石基底相比，具有低对称性表面修饰层的蓝宝石基底，其上0°和60°取向的单层WS2畴区的结合能差值可增加约55倍（从~0.001 eV/W atom提升至~0.055 eV/W atom），可诱导外延畴区沿结合能稳定方向择优生长，形成单一取向的外延生长模式。
图2 同质金属元素表面修饰策略实现2英寸单层WS2单晶薄膜的可重复性制备
该策略可适用于多种二维STMDCs材料（如WS2、MoS2等）的外延生长，光谱学（拉曼、荧光、二次谐波产生面扫图）、原子分辨的扫描透射电子显微镜(STEM)和电学器件的跨尺度表征结果，均证实了制备的晶圆级单层STMDCs单晶薄膜高的晶体质量和大面积层数和取向的均一性。基于单层WS2单晶薄膜构筑的大面积场效应晶体管(FETs)器件阵列，电流开关比均为108以上，平均迁移率与最高迁移率可达约40.2 cm2 V-1 s-1和48.2 cm2 V-1 s-1，优于大多数已报导的单层WS2基FETs器件性能。总之，该工作为二维半导体单晶晶圆的产业化制备提供了新策略，加深对二维STMDCs外延生长机制的理解，并将推动其在集成电路、显示、传感等领域的规模化应用。
图3 单一取向单层WS2畴区拼接处的光谱学与电镜表征
图4 基于单层WS2单晶薄膜构筑的FETs阵列图片及器件性能结果
北京大学材料科学与工程学院博士研究生王嘉龙、北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生郑毅豪为论文共同第一作者，北京大学材料科学与工程学院张艳锋教授、北京大学电子学院邱晨光副教授、中国科学院理化技术研究所夏静高级工程师为论文共同通讯作者。论文的主要合作者有北京大学电子学院彭练矛院士、上海科技大学纪清清研究员、北京大学物理学院杜进隆工程师、北京大学材料科学与工程学院林立研究员等。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等的大力支持与北京大学材料加工与测试中心、微纳加工实验室的平台支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-77131-w
