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.
El grup de recerca del Prof. Xinran Wang de l'Escola de Ciència i Enginyeria Electrònica de la Universitat de Nanjing es va centrar en els problemes anteriors i va investigar avenços en les tecnologies clau de la fabricació de cristall únic de semiconductors bidimensionals i hetero- integració, que va proporcionar noves idees per al desenvolupament de circuits integrats a l'era posterior a-Moore. Recentment s'han publicat resultats de recerca rellevants a Nature Nanotechnology.
Building "atomic terraces" down-to-earth, breaking through two-dimensional semiconductor single crystal epitaxy
Els materials de cristall simple semiconductors són la pedra angular de la indústria de la microelectrònica. En comparació amb les hòsties de silici monocristal·lí de 12-polzades, la preparació de semiconductors bi-dimensionals encara es troba en l'etapa a petita-escala i policristalina. El desenvolupament de pel·lícules primes monocristal·lines de gran-àrea i-qualitat és el primer pas cap a circuits integrats bi-dimensionals. . Tanmateix, durant el creixement de materials bi-dimensionals, es generen de manera aleatòria milions de fitxes microscòpiques i només és possible obtenir un material monocristal·lí monolític controlant tots els xips per mantenir una direcció de disposició estrictament coherent.
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.
Mirant les estrelles, els semiconductors bi-dimensionals aporten llum a la futura tecnologia de visualització
L'avenç dels materials cristal·lins d'una-àrea gran-fa possible l'aplicació de semiconductors bi-dimensionals. En el segon treball, basat en anys d'acumulació d'investigació sobre semiconductors de tercera-generació, combinada amb l'última solució de cristall únic de semiconductors bi-dimensionals, l'equip cooperatiu de l'Escola d'Electrònica va proposar un ultra integrat monolític. Pantalla micro LED d'{5}}alta-resolució basada en el circuit de controlador de transistors de pel·lícula fina MoS2. Solucions tècniques.
Micro LED fa referència a una tecnologia que utilitza LED d'escala de micres-com a unitats de píxels que emeten llum-i els uneix amb mòduls de conducció per formar una matriu de visualització d'alta-densitat. En comparació amb les tecnologies de visualització convencionals actuals, com ara LCD i OLED, Micro LED té avantatges transversals-generacionals en termes de brillantor, resolució, consum d'energia, vida útil, velocitat de resposta i estabilitat tèrmica, i és un dels propers-conegut internacionalment. {4}}tecnologia de visualització de generació.
Tanmateix, la industrialització de Micro LED encara s'enfronta a molts reptes. En primer lloc, és difícil complir els requisits de conducció de les unitats de visualització d'alta-densitat en mides petites. En segon lloc, la tecnologia de transferència massiva popular al sector és difícil de satisfer les necessitats de desenvolupament de pantalles d'alta-resolució en termes de cost i rendiment. Especialment per a aplicacions d'ultra-alta-resolució, com ara AR/VR, no només cal que la resolució superi els 3000 PPI, sinó que també els píxels de la pantalla han de tenir una freqüència de resposta més ràpida.
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.
