该方法可引导单晶在预先定义的中心区域开始生长

韩国京畿道，2026年11月6日 /PRNewswire/ -- 在二维半导体制造中，控制晶体最初形成的位置一直是一项挑战。汉阳大学及合作机构的研究人员开发出一种名为“蚀刻通量介导的单中心成核”（etching-flux-mediated single-centred nucleation，EF-SCN）的方法，可将晶体形成引导至特定位置，在400个位置上实现了超过99%的单晶生长。

在半导体制造中，成核即晶体最初开始形成的过程，它决定了晶体在何处以及如何生长。这对于有望用于下一代电子器件的二维（2D）半导体尤为重要。然而，传统的区域选择性生长方法，无法可靠地控制晶体在指定区域内部的起始形成位置，因此难以制备大尺寸单晶以及用于电子器件的精确对齐结构。

在2026年10月7日发表于《自然》658卷的一项研究中，韩国汉阳大学Woo-Hee Kim教授及其同事介绍了EF-SCN方法。该方法利用氧化物阻挡层释放的氧，来控制晶体开始形成的位置。

研究人员利用这一方法，在图案化衬底上通过金属有机化学气相沉积生长了二维半导体二硫化钼（MoS₂）。他们在每个指定生长区域周围设置了氧化铪（HfO₂）阻挡层，该阻挡层在加热至750摄氏度时会释放氧。氧会蚀刻图案边界附近的材料，抑制这些区域的成核，并促使单晶在中心位置形成。随着生长持续，晶体会向外扩展，形成更大的单晶区域。

研究人员展示了在图案阵列中稳定、位于中心的成核现象。随着晶体生长，它们填满了各自指定区域，形成了横向尺寸达数微米的单晶畴。

研究人员还对该方法进行了改进，通过用二氧化锆替代HfO₂，实现了更低温度下的晶体生长。二氧化锆具有更低的结晶温度，可作为替代性的蚀刻通量阻挡层。这使他们能够在低至430摄氏度的温度下，生长出均匀、中心成核的三角形单晶MoS₂晶畴。

研究人员还进一步考察了生长条件如何影响晶体形成。他们发现，作为硫源的二乙基硫醚流量，主要控制形成的晶核数量。流量过低可能导致无法成核，而流量过高则可能产生多个晶体。钼前驱体流量则会影响晶体的生长距离。通过调节这些条件以及图案尺寸，研究人员制备出了适合晶体管集成的大尺寸晶体和线形通道。

研究人员制备出的晶体横向尺寸约为8微米，并获得了填满10微米生长区域的单晶薄膜。在一块2厘米的衬底上，该方法实现了超过99%的单晶产率。

Kim教授表示：“为了评估这些晶体的电子特性，我们团队使用通过EF-SCN方法生长的MoS₂制备了场效应晶体管。”这些器件实现了最高117 cm² V⁻¹ s⁻¹的场效应迁移率。研究团队在单个晶体内集成了4个晶体管，电子迁移率的差异仅为7.8%，显示出构建更高密度、性能更一致电子电路的潜力。

这些发现确立了EF-SCN作为一种可控制晶体形成位置、晶体如何生长以及如何将其整合进电子器件的方法。

Kim教授表示：“这种方法突破了传统区域选择性生长的局限，能够实现高度可重复的单晶生长，并为成核位置、晶体几何形状以及后续器件集成的可编程控制提供了一个通用框架。”

参考信息

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