二维（2D）半导体，如二硫化钼（MoS2），凭借其超薄的厚度、悬垂的无键平面和优异的栅极可控性，为解决晶体管缩放瓶颈和构建速度更快、功耗更低、灵活性和透明度更高的新型逻辑电路提供了前所未有的机会。

人们一直致力于探索单分子膜MoS2的放大潜力，包括高质量材料的晶圆级合成和大面积器件。例如，具有大畴尺寸（高达300微米）的四英寸晶圆级单层MoS2渭m） 和创纪录的高电子质量（平均场效应迁移率约为80 cm2路V-1型路s-1）已经通过范德华外延生长得到证实。

为了进一步提高大规模单分子膜MoS2的电子质量，应尽可能消除结构缺陷；然而，经过十年的合成优化，单分子膜MoS2在这一领域已经没有多少空间了。另一个关键方向是转向多层MoS2，例如双层和三层，因为它们本质上比单层具有更高的电子质量，因此有利于更高性能的器件和逻辑电路。然而，由于热力学的基本限制，实现高质量、大规模均匀的晶圆级多层MoS2仍然是一个巨大的挑战。

最近，中科院物理研究所张光裕的团队利用蓝宝石（0001）衬底的邻近效应，克服了热力学的基本限制，首次通过逐层外延工艺生长出高质量的多层MoS2四英寸晶圆。外延在相邻外延层之间形成明确的堆叠顺序，并提供多达六层的层数精细控制。

研究结果发表在《国家科学评论》上。

与单分子膜相比，较厚的MoS2场效应晶体管在器件性能上有显著的改善。对于长通道设备（通道长度为5至50渭m） ，室温下的平均场效应迁移率可从约80 cm2增加路V-1型路s-1适用于约110/145 cm2的单层路V-1型路双层/三层设备的s-1提高了37.5%/81.3%。

考虑到在发达的薄膜晶体管（TFT）中，场效应迁移率为10鈥?0 cm2路V-1型路铟的s-1鈥揼葱属鈥搝inc氧化物TFT和50鈥?00 cm2路V-1型路s-1适用于低温多晶硅TFT，出色的平均场效应迁移率>100 cm2路V-1型路s-1强烈揭示了双层和三层MoS2薄膜在高性能TFT应用中的巨大潜力。

此外，对于三层MoS2场效应晶体管，最高室温迁移率可达234.7 cm2路V-1型路s-1，为基于2D过渡金属硫化物半导体的器件创造了新的迁移率记录。

对于通道长度为100 nm的器件，电流密度（Vds=1 V）从0.4 mA增加路渭m-1适用于0.64/0.81 mA的单层路渭双层/三层的m-1，显示出60%/102.5%的增强因子。值得注意的是，对于40 nm短沟道器件，其电流密度达到创纪录的1.70/1.22/0.94 mA/渭在三层MoS2场效应晶体管中，Vds=2/1/0.65 V时的m，以及超过107的高开/关比。

三层MoS2器件的如此高的导通电流密度超过了之前最先进的MoS2晶体管，也超过了《2024年器件和系统国际路线图》中高性能逻辑晶体管的目标，使2D MoS2在低于5 nm节点的电子和逻辑电路中的实际应用更进一步。