与单层相比，多层二硫化钼的带隙随着层数的增加逐渐降低，但场效应迁移率和电流密度会随之提高。因此，从提升器件性能角度考虑，多层二硫化钼是更优的材料。但由于热动力学的基本限制，实现高品质多层二硫化钼晶圆的制备仍具有挑战。据中科院官网报道，针对多层二硫化钼晶圆制备的挑战，张广宇课题组最近发展了一种逐层外延方法，实现了层数可控的多层二硫化钼4英寸晶圆的可控制备，所外延的多层二硫化钼具有极高的晶体学质量和优异的电学性质。相关研究成果以Layer-by-Layer Epitaxy of Multilayer MoS₂ Wafers为题，发表在《国家科学评论》上，并被作为亮点介绍。为了解决晶圆尺度多层二硫化钼逐层外延的问题，张广宇研究员课题组自主设计和搭建了4英寸多源化学气相沉积系统，发展了氧辅助的外延技术来调控生长动力学过程，利用蓝宝石（001）衬底的近邻效应克服了热力学的基本限制和逐层外延的困难，最终实现了4英寸晶圆尺度均匀多层二硫化钼连续薄膜（最高可达6层）的可控逐层外延生长。基于单层、双层及三层二硫化钼晶圆，科研人员加工了短沟道和长沟道的场效应晶体管器件并表征了器件的性能。电学测量结果表明，100纳米沟长的晶体管在驱动电压Vds=1V时的开态电流密度从单层的0.4 mA·μm^-1提高到双层的0.64 mA·μm^-1和三层的0.81 mA·μm^-1，分别提高了60%和102.5%。对于40纳米沟长的三层二硫化钼短沟道器件，在Vds=2/1/0.65 V时的开态电流密度达到1.70/1.22/0.94 mA·μm^-1的电流密度，为已报道的最高值，且具有超过107的开关比，优于国际器件与系统路线图（IRDS）中高性能逻辑器件的2024年目标。研究发展了晶圆级高质量多层二硫化钼连续膜的逐层外延技术，为基于二硫化钼薄膜的大规模高性能电子学器件奠定了材料基础，可有效推动二维半导体材料在TFT、亚10nm超短沟道器件、柔性显示屏、智能可穿戴器件方面的应用。