近期，南京大學電子科學與工程學院王欣然教授課題組，同天馬微電子股份有限公司等單位合作，研究突破了二維半導體單晶制備和異質(zhì)集成關鍵技術，為未來Micro-LED顯示技術發(fā)展提供了全新技術路線。同時，二維半導體從水平和垂直兩個維度，為延續(xù)摩爾定律提供了可能的技術方向，對推動半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。
仰望星空
二維半導體材料，以過渡金屬硫族化合物（TMDC）為代表，具有極限厚度、高遷移率和后端異質(zhì)集成等特點，有望延續(xù)摩爾定律并實現(xiàn)三維架構的集成電路，因此受到了學術界和工業(yè)界的關注。經(jīng)過近十年的發(fā)展，二維電子學已經(jīng)取得了巨大進步，但在大面積單晶制備、關鍵器件工藝、與主流半導體技術兼容性等方面仍存在挑戰(zhàn)。南京大學電子科學與工程學院王欣然教授課題組聚焦上述問題，研究突破二維半導體單晶制備和異質(zhì)集成關鍵技術，為后摩爾時代集成電路的發(fā)展提供了新思路。相關研究成果近期連續(xù)發(fā)表在Nature Nanotechnology上。
腳踏實地
構筑“原子梯田”
突破二維半導體單晶外延
半導體單晶材料是微電子產(chǎn)業(yè)的基石。與主流的12寸單晶硅晶圓相比，二維半導體的制備仍停留在小尺寸和多晶階段，開發(fā)大面積、高質(zhì)量的單晶薄膜，是邁向二維集成電路的第一步。然而，二維材料的生長過程中，數(shù)以百萬計的微觀晶粒隨機生成，只有控制所有晶粒保持嚴格一致的排列方向，才有可能獲得整體的單晶材料。
藍寶石是半導體工業(yè)界廣泛使用的一種襯底，在規(guī)?；a(chǎn)、低成本和工藝兼容性方面具有突出的優(yōu)勢。合作團隊提出了一種方案，通過改變藍寶石表面原子臺階的方向，人工構筑了原子尺度的“梯田”。利用“原子梯田”的定向誘導成核機制，實現(xiàn)了TMDC的定向生長?；诖嗽恚瑘F隊在國際上首次實現(xiàn)了2英寸MoS2單晶薄膜的外延生長。得益于材料質(zhì)量的提升，基于MoS2單晶制備的場效應晶體管遷移率高達102.6 cm2/Vs，電流密度達到450 μA/μm，是國際上報道的最高綜合性能之一。同時，該技術具有良好的普適性，適用于MoSe2等其他材料的單晶制備，該工作為TMDC在集成電路領域的應用奠定了材料基礎。
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二維半導體為未來顯示技術帶來光明
大面積單晶材料的突破使得二維半導體走向應用成為可能。在第二個工作中，電子學院合作團隊基于第三代半導體研究的多年積累，結(jié)合最新的二維半導體單晶方案，提出了基于MoS2 薄膜晶體管驅(qū)動電路、單片集成的超高分辨Micro-LED顯示技術方案。
Micro-LED是指以微米量級LED為發(fā)光像素單元，將其與驅(qū)動模塊組裝形成高密度顯示陣列的技術。與當前主流的LCD、OLED等顯示技術相比，Micro-LED在亮度、分辨率、能耗、使用壽命、響應速度和熱穩(wěn)定性等方面具有跨代優(yōu)勢，是國際公認的下一代顯示技術。然而，Micro-LED的產(chǎn)業(yè)化目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，小尺寸下高密度顯示單元的驅(qū)動需求難以匹配。其次，產(chǎn)業(yè)界流行的巨量轉(zhuǎn)移技術在成本和良率上難以滿足高分辨率顯示的發(fā)展需求。特別對于AR/VR等超高分辨應用，不僅要求分辨率超過3000PPI，而且還需要顯示像元有更快的響應頻率。
合作團隊瞄準高分辨率微顯示領域，提出了MoS2 薄膜晶體管驅(qū)動電路與GaN基Micro-LED顯示芯片的3D單片集成的技術方案。團隊開發(fā)了非“巨量轉(zhuǎn)移”的低溫單片異質(zhì)集成技術，采用近乎無損傷的大尺寸二維半導體TFT制造工藝，實現(xiàn)了1270 PPI的高亮度、高分辨率微顯示器，可以滿足未來微顯示、車載顯示、可見光通訊等跨領域應用。其中，相較于傳統(tǒng)二維半導體器件工藝，團隊研發(fā)的新型工藝將薄膜晶體管性能提升超過200%，差異度降低67%，最大驅(qū)動電流超過200 μA/μm，優(yōu)于IGZO、LTPS等商用材料，展示出二維半導體材料在顯示驅(qū)動產(chǎn)業(yè)方面的巨大應用潛力。該工作在國際上首次將高性能二維半導體TFT與Micro-LED兩個新興技術融合，為未來Micro-LED顯示技術發(fā)展提供了全新技術路線。
上述工作分別以“Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire”（通訊作者為王欣然教授和東南大學王金蘭教授）和“Three dimensional monolithic micro-LED display driven by atomically-thin transistor matrix”（通訊作者為王欣然教授、劉斌教授、施毅教授和廈門大學張榮教授）為題，近期在線發(fā)表于Nature Nanotechnology。該系列工作得到了江蘇省前沿引領技術基礎研究專項、國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃等項目的支持，合作單位包括南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院、東南大學、南京工業(yè)大學、廈門大學、中科院長春光機所、天馬微電子股份有限公司、南京浣軒半導體有限公司等。
文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-021-00963-8
https://www.nature.com/articles/s41565-021-00966-5
