南京大学团队在二维半导体领域取得关键突破
南京大学电子科学与工程学院王欣然教授课题组围绕上述问题，在二维半导体单晶制备和异质集成关键技术上取得突破，为后摩尔时代集成电路的发展提供了新思路。相关研究成果近日发表在《自然·纳米技术》上。
半导体单晶材料是微电子工业的基石。与主流的12英寸单晶硅片相比，二维半导体的制备还处于小尺寸和多晶阶段。发展大面积、高质量的单晶薄膜是迈向二维集成电路的第一步。然而，在二维材料的生长过程中，随机产生数百万个微观晶粒。只有控制所有晶粒严格一致的排列方向，才有可能获得完整的单晶材料。
蓝宝石是一种广泛应用于半导体行业的衬底，在大规模生产、低成本和工艺兼容性方面具有突出的优势。合作团队提出了一个方案，通过改变蓝宝石表面原子台阶的方向，人工构建一个原子尺度的“台阶”。
利用“原子台阶”的定向诱导成核机制实现了TMDC的定向生长。基于这一原理，团队在国际上首次实现了2英寸MoS2单晶薄膜的外延生长。
由于材料质量的提高，基于MoS2单晶的场效应晶体管的迁移率和电流密度高达102.6 cm2/Vs和450 μA/微米，是国际上报道的最高综合性能之一。同时，该技术具有很好的普适性，适用于MoSe2等其他材料单晶的制备。这项工作为TMDC在集成电路领域的应用奠定了物质基础。
大面积单晶材料的突破，使得二维半导体趋势的应用成为可能。在第二项工作中，基于多年第三代半导体研究的积累，结合最新的二维半导体单晶方案，电子所合作团队提出了基于MoS2薄膜晶体管驱动电路和单片集成的超高分辨率微型LED显示技术方案。
微型LED是指以微米级LED为发光像素单元，与驱动模块组装形成高密度显示阵列的技术。与目前主流的LCD、有机发光二极管等显示技术相比，Micro-LED在亮度、分辨率、能耗、使用寿命、响应速度、热稳定性等方面具有跨代优势，是国际公认的下一代显示技术。然而，Micro-LED的产业化仍然面临许多挑战。
首先，小尺寸下很难匹配高密度显示单元的驱动要求。其次，业界流行的传质技术在成本和良率上难以满足高分辨率显示技术的发展需求。尤其是AR/VR等超高分辨率应用，不仅要求分辨率超过3000PPI，还要求显示像素具有更快的响应频率。
针对高分辨率微显示领域，合作团队提出了MoS2薄膜晶体管驱动电路与GaN基微LED显示芯片3D单片集成的技术方案。团队开发了非“大规模转移”的低温单片异质集成技术，利用近乎无损的大尺寸二维半导体TFT制造工艺，实现了1270 PPI的高亮度、高分辨率微显示器，可满足未来微显示器、车载显示、可见光通信等跨领域应用。
其中，团队研发的新工艺与传统二维半导体器件工艺相比，薄膜晶体管性能提升200%以上，差异减小67%，最大驱动电流超过200 μA/微米，优于IGZO、LTPS等商用材料，展现了二维半导体材料在显示驱动行业的巨大应用潜力。
该工作在国际上首次集成了高性能二维半导体TFT和Micro-LED，为未来Micro-LED显示技术的发展提供了新的技术路线。
上述工作是在“蓝宝石上晶片级钼半导体单晶的流行病学生长”(通讯作者为东南大学王欣然教授和王金兰教授)和“三维”的基础上完成的。由原子级薄的发射器矩阵驱动的Al单片微型led显示器》(由、、石毅和张荣教授撰写)最近在线发表在Nature Nanotechnology上。