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集成等特點，有望延續摩爾定律并實現三維架構的集成電路，因此受到了學術界和工業界的關注。經過近十年的發展，二維電子學已經取得了巨大進步，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。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集成關鍵技術，為后摩爾時代集成電路的發展提供了新思路。相關研究成果近期連續發表在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業的基石。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，開發大面積、高質量的單晶薄膜，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界廣泛使用的一種襯底，在規?；a、低成本和工藝兼容性方面具有突出的優勢。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，實現了TMDC的定向生長?；诖嗽?，團隊在國際上首次實現了2英寸MoS2單晶薄膜的外延生長。得益于材料質量的提升，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。
仰望星空
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為發光像素單元，將其與驅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、響應速度和熱穩定性等方面具有跨代優勢，是國際公認的下一代顯示技術。然而，Micro-LED的產業化目前仍面臨諸多挑戰。首先，小尺寸下高密度顯示單元的驅動需求難以匹配。其次，產業界流行的巨量轉移技術在成本和良率上難以滿足高分辨率顯示的發展需求。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。團隊開發了非“巨量轉移”的低溫單片異質集成技術，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，相較于傳統二維半導體器件工藝，團隊研發的新型工藝將薄膜晶體管性能提升超過200%，差異度降低67%，最大驅動電流超過200 μA/μm，優于IGZO、LTPS等商用材料，展示出二維半導體材料在顯示驅動產業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計劃等項目的支持，合作單位包括南京大學現代工程與應用科學學院、東南大學、南京工業大學、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
