二維半導(dǎo)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(gòu)的集成電路，因此受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。經(jīng)過近十年的發(fā)展，二維電子學(xué)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，但在大面積單晶制備、關(guān)鍵器件工藝、與主流半導(dǎo)體技術(shù)兼容性等方面仍存在挑戰(zhàn)。南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王欣然教授課題組聚焦上述問題，研究突破二維半導(dǎo)體單晶制備和異質(zhì)集成關(guān)鍵技術(shù)，為后摩爾時代集成電路的發(fā)展提供了新思路。相關(guān)研究成果近期連續(xù)發(fā)表在Nature Nanotechnology上。

 

 

半導(dǎo)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(dǎo)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(jī)生成，只有控制所有晶粒保持嚴(yán)格一致的排列方向，才有可能獲得整體的單晶材料。

 

藍(lán)寶石是半導(dǎo)體工業(yè)界廣泛使用的一種襯底，在規(guī)模化生產(chǎn)、低成本和工藝兼容性方面具有突出的優(yōu)勢。合作團(tuán)隊提出了一種方案，通過改變藍(lán)寶石表面原子臺階的方向，人工構(gòu)筑了原子尺度的“梯田”。利用“原子梯田”的定向誘導(dǎo)成核機(jī)制，實現(xiàn)了TMDC的定向生長。基于此原理，團(tuán)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(yīng)晶體管遷移率高達(dá)102.6 cm2/Vs，電流密度達(dá)到450 μA/μm，是國際上報道的最高綜合性能之一。同時，該技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)用奠定了材料基礎(chǔ)。
 

仰望星空

 

大面積單晶材料的突破使得二維半導(dǎo)體走向應(yīng)用成為可能。在第二個工作中，電子學(xué)院合作團(tuán)隊基于第三代半導(dǎo)體研究的多年積累，結(jié)合最新的二維半導(dǎo)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(shù)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(shù)。與當(dāng)前主流的LCD、OLED等顯示技術(shù)相比，Micro-LED在亮度、分辨率、能耗、使用壽命、響應(yīng)速度和熱穩(wěn)定性等方面具有跨代優(yōu)勢，是國際公認(rèn)的下一代顯示技術(shù)。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(shù)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(yīng)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(yīng)頻率。

 

合作團(tuán)隊瞄準(zhǔn)高分辨率微顯示領(lǐng)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(shù)方案。團(tuán)隊開發(fā)了非“巨量轉(zhuǎn)移”的低溫單片異質(zhì)集成技術(shù)，采用近乎無損傷的大尺寸二維半導(dǎo)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(lǐng)域應(yīng)用。其中，相較于傳統(tǒng)二維半導(dǎo)體器件工藝，團(tuán)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(dǎo)體材料在顯示驅(qū)動產(chǎn)業(yè)方面的巨大應(yīng)用潛力。該工作在國際上首次將高性能二維半導(dǎo)體TFT與Micro-LED兩個新興技術(shù)融合，為未來Micro-LED顯示技術(shù)發(fā)展提供了全新技術(shù)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(xué)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(xué)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(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項、國家自然科學(xué)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(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、東南大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、廈門大學(xué)、中科院長春光機(jī)所、天馬微電子股份有限公司、南京浣軒半導(dǎo)體有限公司等。

 

 

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00963-8

 

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00966-5