国家 “十五五” 规划将半导体列为战略核心领域。二维半导体是延续集成电路摩尔定律、实现先进制程的关键材料，也是我国开辟新赛道的重要机遇。南京大学-苏州实验室王欣然、李涛涛团队与东南大学王金兰团队合作，开发了全新的氧辅助金属有机化学气相沉积（oxy-MOCVD）技术，解决了二维半导体量产化制备的动力学瓶颈。相关成果以“氧辅助金属有机化学气相沉积加速二硫化钼动力学生长”（Kinetic acceleration of MoS2 growth by oxy-metal-organic chemical vapor deposition）为题于2026年1月30日发表在Science。这是该团队继2025年10月在Science发表成果后取得的又一重大突破，标志着二维半导体产业化技术迈入全新阶段。

研究背景

随着晶体管尺寸微缩逼近物理极限，短沟道效应导致的性能退化使传统硅基技术面临前所未有的挑战。原子级厚度的二维半导体因其优异的电学特性，被视为后摩尔时代最具潜力的非硅新材料。台积电、英特尔、IMEC等全球主要半导体企业与研究机构均加速布局二维半导体研发，推动其从实验室走向产线。

然而，二维半导体的产业化制备长期以来面临两大挑战。一方面，需要大尺寸、低对称性的衬底作为外延模板，保证薄膜的定向生长。2025年10月，该团队报道“稀土原子点石成晶”技术，一举解决了外延衬底问题（Science 390, eaea0849 (2025)）。另一方面，二维材料的原子级厚度使其对生长动力学极其敏感。产业化MOCVD技术长期受困于晶畴小、速率低、碳污染严重等问题，其根源在化学反应动力学限制：1.金属有机源热解生成的金属原子迁移弱，制约晶畴横向尺寸；2. 硫氢/有机硫脱氢脱碳势垒高，导致生长速率慢，同时引入碳杂质。因此，理性设计前驱体，破解动力学瓶颈，是二维半导体走向产业化的必经之路。

研究成果概况

针对上述难题，团队提出全新解决方案：首次采用无氢、低碳的二硫化碳（CS2）作为硫源，从源头减少杂质引入。进一步开发oxy-MOCVD技术，通过引入氧气，在高温下与前驱体充分预反应，生成高纯度和高活性反应中间体，实现了生长动力学的精准调控。相比传统反应路径，反应能垒从2.02 eV降至1.15 eV，显著提升反应动力学速率；同时从根源上抑制含碳中间体的形成，避免碳污染，为大面积、高质量、高均匀性MoS2的外延生长筑牢根基。

图1 MOCVD生长动力学研究

研究团队在前期研发的蓝宝石斜切衬底（Nature Nanotechnol., 16, 1201 (2021)）的基础上实现多项突破：通过oxy-MOCVD技术成功实现百微米级MoS2晶畴定向外延，晶畴面积相较传统MOCVD技术实现5个数量级以上的跨越，生长速率提升2-3个数量级；所制备的MoS2未检测到任何碳元素特征信号，证明氧气调控策略从根源上消除碳污染；样品的室温光致发光（PL）信号强度较传统MOCVD技术制备的样品提升20倍以上。上述表征证明该方法制备的MoS2在纯度与质量上不仅显著优于传统MOCVD材料，也超越了实验室级别CVD与机械剥离制备的小尺寸材料。

为了验证oxy-MOCVD技术的产业化潜力，团队制备了6英寸MoS2单晶晶圆，表征结果证明晶圆范围内材料质量与均匀性保持超高水准。团队利用人工智能图像识别技术对6英寸范围光学显微镜视频进行晶畴取向实时分析，结果显示单向取向比例接近100%。基于MoS2制备的场效应晶体管，室温迁移率平均达到101.3 cm2·V-1·s-1，最高达到122.9 cm2·V-1·s-1，开关比达109，刷新了产业化技术制备的二维半导体性能纪录，实现了实验室高质量材料与工业级规模化制备的完美融合。

图2 6英寸MoS2单晶表征

图3 不同MOCVD外延MoS2电学性能

该成果与团队2025年发表的“点石成晶”技术共同构建了“衬底工程+动力学调控”完整技术路线，为二维半导体量产化提供核心支撑，将加速其在埃米级集成电路等领域的应用进程，为我国在下一代半导体技术竞争中构筑核心优势。

论文信息

论文第一作者为苏州实验室博士后刘蕾、王玉树、董瑞康与南京大学集成电路学院博士后范东旭，通讯作者为王欣然、李涛涛与王金兰，南京大学施毅院士对本工作进行了全程指导。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、基础学科和交叉学科突破计划、国家资助博士后研究人员计划和中国博士后科学基金、江苏省基础研究计划、江苏省卓越博士后计划、姑苏创新创业领军人才等项目的资助，以及未来智能芯片交叉研究中心（雅辰基金）、新基石科学基金会所设立的科学探索奖、小米基金的支持。