我院张建华教授/张磊教授/王震宇副教授团队在Communications Materials发表晶圆级p型MoS₂掺杂调控重要成果

近日，我院张建华教授、张磊教授、王震宇副教授团队在Communications Materials上发表题为“Wafer-scale p-type MoS₂ monolayers achieved via controllable niobium doping in metal-organic chemical vapor deposition”的研究论文。该研究在晶圆级二维半导体材料的可控p型掺杂方面取得重要突破，为二维材料互补逻辑电路和CMOS技术的实现奠定了关键材料基础。该工作由我院王震宇副教授、博士生罗谈、硕士生姚志伟等人共同完成，张建华教授、张磊教授及中科院半导体所张菁研究员等人对本工作进行了指导。

研究背景：p型MoS₂是二维CMOS的关键短板

二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）因其原子级厚度、优异的电学与光学特性，被广泛认为是新一代低功耗、柔性和透明电子器件的重要候选材料。其中，二硫化钼（MoS₂）是研究最为深入的二维半导体之一。然而，目前绝大多数高质量MoS₂器件表现为n型导电行为，而稳定、可扩展的p型MoS₂仍然是制约二维材料构建互补逻辑电路和CMOS技术的核心瓶颈。传统p型掺杂方法往往面临掺杂不均匀、可控性差、难以扩展至晶圆尺度等问题，严重限制了二维材料在大规模集成电子器件中的应用。

核心创新：MOCVD实现晶圆级可控Nb掺杂p型MoS₂

针对上述挑战，研究团队提出并实现了一种基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）的晶圆级Nb掺杂MoS₂生长策略。研究中，团队首先在c面蓝宝石衬底上生长高质量单层 MoS₂，随后在生长过程中引入Nb前驱体，实现Nb原子在MoS₂晶格中的取代式掺杂，从而在保持材料结构完整性的同时，实现精确可控的p型掺杂。多种表征手段系统证实了Nb原子在MoS₂晶格中的取代行为及其在晶圆尺度上的高度均匀性。

电学测试结果表明，随着Nb掺杂浓度的提高，MoS₂器件表现出由n型向p型导电行为的清晰转变，所制备的p型MoS₂场效应晶体管实现了：开关比达 10⁴，器件良率约 90%。相关性能指标已达到目前报道的高性能p型MoS₂薄膜的先进水平，充分验证了该掺杂策略的有效性与可扩展性。

在实验基础上，研究团队进一步建立了基于表面反应动力学与热力学的理论模型，对Nb原子在MoS₂表面的取代行为进行了系统模拟。模型清晰揭示了Nb掺杂效率与生长温度及前驱体分压之间的内在关联，为掺杂浓度的精准调控提供了明确的理论指导。

重要意义：为二维CMOS与低功耗电子奠定材料基础

该研究在晶圆尺度上实现了高均匀性、可控掺杂浓度的p型MoS₂单层薄膜，有效解决了二维半导体领域长期存在的关键材料难题。相关成果为构建基于二维材料的互补逻辑电路、发展新型CMOS架构提供了重要支撑。

图文导读：

图1｜通过MOCVD实现单层MoS₂中的取代型铌掺杂。a，Nb掺杂MoS₂的MOCVD生长过程示意图。b，在蓝宝石衬底上生长的Nb掺杂MoS₂薄膜的光学显微镜图像。c、f，Nb掺杂MoS₂的实验STEM图像与对应的模拟STEM图像。QSTEM模拟采用与实验条件相同的参数。d、e，沿(c)与(f)中所示线条方向获得的强度剖面。g、h，Nb掺杂MoS₂的HAADF-STEM图像及其对应的EELS元素分布图，其中Mo、S和 Nb信号分别以绿色、黄色和紫色表示。比例尺为0.5 nm。i–k，Nb、Mo和S边的放大并拟合后的EELS能谱，显示随着Nb掺杂浓度增加，谱线强度呈现出系统性的演化趋势。原始数据见补充图4。l，与(b)中所示区域对应的、蓝宝石衬底上生长的Nb掺杂MoS₂的AFM图像及其高度剖面。m、n，不同掺杂水平下本征MoS₂与Nb掺杂MoS₂的拉曼光谱和光致发光（PL）光谱。

图2｜Nb在MoS₂中取代掺杂的热力学-动力学建模。a，热激活取代机制示意图。Nb前驱体首先吸附在MoS₂表面，随后在热激活作用下实现对Mo晶格位点的取代；能垒ΔEₐ将吸附态与取代态分隔开来。由Nb分压决定的前驱体通量控制表面碰撞频率，并进一步影响取代效率。b，有效取代概率P_eff-sub随Nb分压变化关系，表明前驱体通量的增加可显著提高取代概率。插图显示不同温度下的分压依赖趋势。c，有效取代概率 P_eff-sub随温度变化关系，由于取代反应与前驱体分解过程之间的竞争，呈现出非单调变化行为。插图展示了在不同前驱体分压条件下的温度依赖趋势。d，P_eff-sub随温度与Nb分压变化的等高线图。红色虚线和灰色网格线分别对应(b)和(c)插图中的截面位置。

图3｜Nb掺杂MoS₂薄膜的晶圆级均匀性表征。a，在2英寸蓝宝石衬底上生长的Nb掺杂MoS₂薄膜的实物照片。b，生长态Nb掺杂MoS₂薄膜的AFM图像，显示其在蓝宝石衬底上具有平整、光滑的表面形貌。c、e，在蓝宝石衬底上的2英寸Nb掺杂MoS₂薄膜上，于室温条件下进行的拉曼与PL线扫描测试，沿径向以5 mm间隔共采集11条光谱。d、f，基于补充图6和7所示映射区域中采集的10,000组光谱数据，统计得到的E¹_2g与A_1g拉曼峰间距（△）以及PL峰位的分布情况。

图4｜晶圆级Nb掺杂MoS₂的电输运特性。a，将Nb掺杂MoS₂薄膜转移至Si/SiO₂衬底后制备的双端器件阵列的光学显微镜图像。插图为双端器件的侧视结构示意图。比例尺为100 μm。b，不同Nb掺杂浓度下Nb掺杂MoS₂的栅控特性，并与本征MoS₂进行对比。c，(a)中所示阵列内、基于2% Nb掺杂MoS₂制备的80个场效应晶体管器件的栅控特性。插图为线性坐标下的数据展示。d，在V_ds = 100 mV、V_g = −60 V条件下，2% Nb掺杂MoS₂在80个FET器件中的开态电流分布。e，(c)中所示器件的场效应迁移率和亚阈值摆幅（SS）的统计分布。f，不同研究中通过多种掺杂元素和制备方法实现的p型MoS₂ 器件性能对比，其中“ML”表示单层，“FL”表示少层。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s43246-025-01065-x