晶圆级单层单晶二硫化钼

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成果单位：北京科技大学

合作方式：面议

所处阶段：其他

关键词：二维半导体集成电路张氏生长法2DCZ法熔融限域生长

成果评价

总得分（满分100）

资本强度（满分0）

该成果得分：0

团队介绍

近年来，聚焦二维半导体材料与集成电路应用的关键瓶颈，北京科技大学张跃院士和张铮教授团队率先建设了国内首个6英寸二维半导体材料与芯片集成实验平台，提出了与硅基工艺兼容的二维半导体材料发展技术路线，具备了二维半导体晶圆制造、逻辑电路设计集成、封装测试分析以及核心装备研发能力，验证了先进制程芯片二维半导体材料技术路线可行性。2024年7月，由北京科技大学牵头，与新紫光集团、华大九天、昌平区政府共建“8英寸二维半导体晶圆制造与集成创新支撑中心”，围绕二维半导体材料晶圆制造与装备、EDA设计方法与工具、芯片制造关键工艺与装备、芯片失效分析与标准化评估等方面开展协同攻关，突破核心工艺、关键装备的全链条技术，进一步验证面向先进制程芯片的二维半导体材料工业化可行性，项目占地3000平方米，总投资3.8亿元，建设周期3年。对标硅基工艺要求，成功制备出全球最大单核、单晶二维二硫化钼；设计构筑了静态功耗仅为0.5 pW每门的全摆幅二维范德华逻辑门电路，功耗仅为商用硅基集成电路器件的2%；开发了单层MoS2 6T-SRAM阵列并通过全部标准测试，充分验证了二维半导体材料与器件在集成电路应用的可行性；提出了低世代制程二维半导体芯片对先进制程硅基芯片等效替代的中国技术路线，与相同制程硅基芯片相比，二维半导体芯片算力提高6倍，功耗降低50倍，为打造我国自主可控的低功耗、高算力逻辑芯片提供解决方案。领衔专家张跃教授，现任新金属材料全国重点实验室主任、北京科技大学前沿交叉科学技术研究院院长、北京大学特聘客座教授。2015年当选英国皇家化学会会士，2019年当选中国科学院院士，2022年当选发展中国家科学院院士。现任教育部科技委材料学部副主任；国家重点研发计划“纳米前沿”重点专项总体专家组副组长；任中国体视学学会理事长、中国金属学会常务理事；任National Science Open创刊主编、Fundamental Research副主编、Nanoscale和Nanoscale Advances主编、Science Bulletin等10余种国际期刊的编委。张跃教授主要从事低维半导体材料及其服役行为的研究，致力于将低维半导体材料前沿研究和国家重大需求相结合，在信息、能源和传感领域关键材料与器件应用的基础理论、制备技术和工程应用方面做出了系统性、创新性重要贡献。主持承担了国家重大科学研究计划、国家重点研发计划专项，国家自然科学基金重大项目、重点项目、国家重大科研仪器研制项目，科技部与国家自然科学基金重大国际合作交流项目、教育部和国家外专局高等学校学科创新引智计划、省部级项目等60余项。在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Energy、Nature Electronics等国内外期刊上发表SCI论文450余篇；撰写出版中文专著8部、英文专著5部。获授权专利100余项；以第一完成人获国家自然科学二等奖1项、省部级科技成果一等奖3项、省部级教学成果一等奖2项。

小果解读

核心问题

当前，二维半导体材料在集成电路应用中的一大痛点在于难以制备出大面积的单层单晶材料，这严重制约了二维半导体材料的进一步发展与应用。特别是在二硫化钼（MoS₂）这一重要材料上，如何实现高质量、高效率的单层单晶生长，成为亟待解决的关键问题。

解决方案

北京科技大学前沿交叉科学技术研究院张跃院士、张铮教授团队创新设计了二维半导体材料的“张氏生长法”——二维熔融限域生长法（2DCZ）。该方法通过精确控制生长条件，成功实现了厘米级单层二硫化钼（MoS₂）单晶晶畴的快速高质量生长，远超已有报道的最大单晶晶畴尺寸。此技术不仅提高了MoS2的生长质量和生产效率，还使其电学性能接近机械剥离制备的单层MoS2水平，为二维半导体材料的大规模制备提供了有效路径。

竞争优势

相较于传统的MoS2生长方法，2DCZ法具有显著优势。首先，它大大提高了MoS2的生长质量和生产效率，为工业化应用奠定了坚实基础。其次，2DCZ法与硅基制造工艺高度兼容，为二维半导体材料融入现有集成电路体系提供了可能。最后，该方法的创新性在于其独特的“张氏生长法”，为二维TMDCs的发展提供了重要理论指导，展现了极高的科研价值和应用潜力。

成果描述

成果公开日期

20250327

所属产业领域

新一代信息技术-先进制程集成电路新材料

产品设计方案

随着集成电路尺寸不断微缩，传统硅基晶体管正面临电输运性能下降、泄漏电流陡增等关键挑战，亟待研发新型沟道材料支撑后摩尔时代集成电路快速发展。以二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）为代表的二维半导体材料不仅在极限尺寸下电输运特性优异，而且具有出众的静电调控特性，可有效克服硅基晶体管中的短沟道效应问题，成为后摩尔时代电子器件的重要候选材料。然而，传统的化学气相沉积（CVD）方法制备的二维TMDCs材料存在着单晶晶畴尺寸小、形核密度高、缺陷密度大、生长速率慢等问题，难以满足集成电路应用需求。基于此，本项目率先发现高温熔融玻璃对钼源前驱体的铺展作用，通过二维熔融前驱体限域生长法实现快速且仅沿二维方向的晶体生长，成功生长出尺寸高达1.5 cm的单层MoS₂单晶晶畴。技术先进性主要包括：（1）单晶化突破性工艺：通过首创的固-液-固相变路径，实现MoS₂从多晶到单晶的转变，突破传统CVD、物理气相沉积等技术的晶界限制，晶畴尺寸显著提升，实现原子级晶界消除。（2）超低缺陷密度控制：硫空位密度低至2.9×10¹² cm⁻²（较传统方法降低1-2个数量级），缺陷密度接近理论极限，显著提升材料电学/光学性能。（3）超高速生长动力学：液相前驱体扩散势垒降低，生长速率达75 μm/s（比CVD法快3个数量级），结合原子级光滑界面抑制成核密度，实现"低密度成核+高速外延"协同机制。（4）界面工程创新：熔融玻璃基板的原子级光滑界面与液相铺展协同作用，形成独立液-固界面，降低材料-基底耦合强度，实现超清洁转移（转移效率提升5倍以上）。（5）常压环境普适性：突破传统单晶生长对超高真空/特殊气氛的依赖，在常压管式炉中完成全流程，兼具规模化与低成本潜力。

市场分析

市场前景：当前，二维TMDCs材料市场中，各企业的产品销售情况呈现出多样化特点。六碳科技推出的二维MoS₂材料（4英寸蓝宝石基），每片定价1.5万元；北大石墨烯研究院的二维MoS₂材料（8英寸蓝宝石基），单价则高达20万元。在定制化二维高质量MoS₂材料细分领域，来自美国的2D Layer公司，其百微米级单晶硅片基产品，1×1cm²规格的单价为0.2万元/片。而在二维WSe₂材料（蓝宝石基）市场，六碳科技、先丰科技以及 2D Layer（USA）纷纷凭借不同规格和价格的产品展开激烈竞争。本项目聚焦于一系列高性能二维 TMDCs材料的研发与生产，预期产品丰富多样，涵盖定制化二维MoS₂材料（8英寸、12英寸多晶蓝宝石基）、定制化二维高质量MoS₂材料（4英寸晶圆级单晶玻璃基）、定制化二维少层MoS₂、WS₂、MoSe₂、WSe₂材料，还有2 - 8英寸定制化二维单晶单层 MoS₂材料以及2 - 8英寸定制化二维多晶 WSe₂材料。这些产品凭借各自独特的规格型号，预计每年可创造约10亿元产值。与市场上现有产品相比，本项目所提供的二维 TMDCs 材料具备显著竞争优势。在尺寸规格上，拥有多种尺寸选择，能满足不同生产需求；成本价格方面，部分产品定价更具性价比；产品种类也更为丰富，可充分满足市场多样化的应用需求。这些优势将助力本项目在激烈的市场竞争中脱颖而出，吸引更多客户，不断扩大市场份额，进而实现可观的经济效益。-在行业领域的水平：（1）材料水平：所生长的二硫化钼单晶晶畴生长速率处于行业第一、生长尺寸处于行业第一、晶畴质量（缺陷密度）处于行业最优。（2）晶体管水平：所实现的阵列场效应晶体管的均一性在行业前列、短沟道场效应晶体管的电流密度处于行业前列、单器件的迁移率处于行业领先地位。

当前进展

主要功能：（1）核心材料制备：面向下一代半导体器件，提供晶圆级二维TMDCs单晶薄膜，满足高迁移率晶体管、超灵敏光电探测器等前沿需求。（2）缺陷控制工程：通过液相前驱体动态调控，实现硫空位等本征缺陷的精准钝化，为量子发射器、单光子光源等量子器件提供材料基础。（3）异质集成赋能：超清洁转移特性支持MoS₂与硅基/柔性衬底、光子芯片等异质集成，推动存算一体、神经形态计算等新型架构开发。（4）工业化生产突破：常压工艺兼容现有半导体设备，超快生长速率（较传统法提升10-1000倍）与高成品率（>90%）为产业化提供技术路径。（5）多维扩展性：工艺框架可拓展至WS₂、MoSe₂等二维材料体系，为TMDCs材料家族提供通用单晶化解决方案。-核心技术：该技术基于“液-液界面”上的“固-液-固结晶”过程，不仅极大地降低了衬底表面的形核密度，而且控制了晶体在生长时仅沿二维方向面内结晶，从而成功实现了从多晶MoS₂到单晶MoS₂的转变。通过快速过饱和结晶过程，实现了75 μm s-1的生长速率，在原子级光滑界面上获得了大面积的MoS2晶畴，明显高于已报道的二维MoS₂生长方法。此外，低成核密度削弱了MoS2薄膜与衬底之间的附着力，有利于在去离子水的辅助下实现超清洁、快速和高质量的转移过程。该研究成果以“Two-dimensional Czochralski growth of single-crystal MoS₂”为题，于2025年1月10日以封面文章的形式发表在《Nature Materials》上。北京科技大学为该论文的唯一通讯单位，博士生姜鹤、张先坤教授、博士生陈匡磊和何晓宇为论文的第一作者，张跃院士和张铮教授为通讯作者。

转化现有基础

获奖情况： 2024年度申请并获批教育部《8英寸二维半导体晶圆制造与集成创新支撑中心项目》（教发函〔2024〕299号），项目总投资额为37995万元，实验室建筑面积达3000平方米。项目建成后将成为国内首个针对先进制程集成电路二维半导体材料与器件研发的8英寸实验验证线。-落地应用：有望在高质量二维半导体材料规模化制备、制备装备、转移技术、先进制程芯片定制化加工等领域落地。

转化合作需求

希望可以与半导体材料制备、工艺和半导体装备领域的企业开展合作。

摘要

高质量材料制备是推进二维半导体材料迈向集成电路应用的核心基础。北京科技大学前沿交叉科学技术研究院张跃院士、张铮教授团队针对二维半导体材料难以制备出大面积单层单晶材料的关键挑战，创新设计了二维半导体材料的“张氏生长法”——二维熔融限域生长法（2D Two-dimensional Czochralski growth，2DCZ），成功实现了厘米级单层二硫化钼（MoS₂）单晶晶畴的快速高质量生长，远超已报道的最大单晶晶畴尺寸。相较于传统MoS2生长方法，本项目大大提高了MoS2生长质量和生产效率，电学性能更是接近机械剥离制备的单层MoS2水平。2DCZ法与硅基制造工艺兼容，为二维TMDCs的发展提供了理论指导，为二维半导体材料的工业化应用提供了可能。