Two-dimensional semiconductor materials, represented by transition metal dichalcogenides (TMDCs), have the characteristics of extreme thickness, high mobility, and back-end heterogeneous integration. They are expected to continue Moore's law and realize integrated circuits with three-dimensional architecture. and industry attention. After nearly a decade of development, two-dimensional electronics has made great progress, but there are still challenges in the preparation of large-area single crystals, key device processes, and compatibility with mainstream semiconductor technologies.
南京大学電子科学工学部のXinranWang教授の研究グループは、上記の問題に焦点を当て、2次元の半導体単結晶製造とヘテロ-の主要技術におけるブレークスルーを研究しました。統合。これは、ポスト-ムーア時代の集積回路の開発に新しいアイデアを提供しました。 最近、関連する研究結果がNatureNanotechnologyに掲載されました。
Building "atomic terraces" down-to-earth, breaking through two-dimensional semiconductor single crystal epitaxy
半導体単結晶材料は、マイクロエレクトロニクス産業の基礎です。 主流の12-インチの単結晶シリコンウェーハと比較して、2次元の半導体の準備はまだ小規模で多結晶の段階にあります。 大面積の-面積、高品質の-単結晶薄膜の開発は、2次元-次元集積回路への第一歩です。 。 しかし、2次元-次元の材料の成長中に、数百万の微細なチップがランダムに生成され、厳密に一貫した配置方向を維持するようにすべてのチップを制御することによってのみ、モノリシック単結晶材料を得ることができます。
Sapphire is a widely used substrate in the semiconductor industry and has outstanding advantages in mass production, low cost and process compatibility. The collaborating team proposed a scheme to artificially construct atomic-scale "terraces" by changing the direction of the atomic steps on the sapphire surface. The directional growth of TMDCs was achieved by the directional induced nucleation mechanism of "atomic terraces".
Based on this principle, the team achieved the epitaxial growth of a 2-inch MoS2 single crystal film for the first time in the world. Thanks to the improvement of material quality, the mobility of field effect transistors based on MoS2 single crystal is as high as 102.6 cm2/Vs, and the current density reaches 450 μA/μm, which is one of the highest comprehensive performances reported internationally. At the same time, the technology has good universality and is suitable for the preparation of single crystals of other materials such as MoSe2. This work has laid a material foundation for the application of TMDC in the field of integrated circuits.
星を見上げると、2次元の半導体が未来のディスプレイ技術に光をもたらします
大面積の-面積の単結晶-結晶材料の飛躍的進歩により、2次元の半導体を適用することが可能になりました。 2番目の作業では、第3世代の-世代の半導体研究の長年の蓄積に基づいて、最新の2 -次元の半導体単結晶ソリューションと組み合わせて、電子工学部の協力チームがモノリシック統合ウルトラを提案しました。 -高-解像度MoS2薄膜トランジスタドライバ回路に基づくマイクロLEDディスプレイ。 技術的な解決策。
マイクロLEDとは、ミクロン-スケールのLEDを発光ピクセルユニットとして使用し、それらを駆動モジュールと組み合わせて高密度のディスプレイアレイを形成する技術を指します。 LCDやOLEDなどの現在の主流のディスプレイ技術と比較して、マイクロLEDは、明るさ、解像度、エネルギー消費、耐用年数、応答速度、熱安定性の点で世代を超えた利点があり、次に国際的に認められています{ {4}}世代のディスプレイ技術。
しかし、マイクロLEDの工業化は依然として多くの課題に直面しています。 まず、小型の高密度ディスプレイユニットの駆動要件を満たすことは困難です。 第二に、業界で人気のある物質移動技術は、コストと歩留まりの点で高解像度ディスプレイの開発ニーズを満たすことが困難です。 特にAR/VRなどの超-高-解像度のアプリケーションでは、解像度が3000PPIを超える必要があるだけでなく、ディスプレイピクセルの応答周波数も速くする必要があります。
The cooperative team aimed at the field of high-resolution micro-display, and proposed a technical solution for the 3D monolithic integration of MoS2 thin-film transistor driver circuit and GaN-based Micro LED display chip. The team developed a non-"massive transfer" low-temperature monolithic heterogeneous integration technology, using a nearly non-destructive large-size two-dimensional semiconductor TFT manufacturing process, to achieve a high-brightness, high-resolution microdisplay of 1270 PPI, which can meet the needs of future microdisplays. Display, vehicle display, visible light communication and other cross-field applications.
Among them, compared with the traditional two-dimensional semiconductor device process, the new process developed by the team improves the performance of thin film transistors by more than 200 percent , reduces the difference by 67 percent , and the maximum driving current exceeds 200 μA/μm, which is better than IGZO, LTPS and other commercial materials. It shows the huge application potential of two-dimensional semiconductor materials in the display driving industry. This work is the first in the world to integrate two emerging technologies of high-performance two-dimensional semiconductor TFT and Micro LED, which provides a new technical route for the future development of Micro LED display technology.
The above works are respectively named "Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire" (corresponding authors are Prof. Wang Xinran and Prof. Wang Jinlan of Southeast University) and "Three dimensional monolithic Micro LED display driven by atomically-thin transistor matrix" (corresponding authors). It was published online in Nature Nanotechnology recently.
This series of work has been supported by projects such as Jiangsu Province's Frontier Leading Technology Basic Research Project, the National Natural Science Foundation of China, and the National Key RD Program. Changchun Institute of Optics and Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Tianma Microelectronics Co., Ltd., Nanjing Huanxuan Semiconductor Co., Ltd., etc.