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.
Prof. Xinran Wang, a Nanjing Egyetem Elektronikai Tudományok és Mérnöki Iskola kutatócsoportja a fenti problémákra összpontosított, és áttöréseket kutatott a kétdimenziós félvezető egykristálygyártás és a hetero- kulcsfontosságú technológiái terén. integráció, amely új ötleteket adott az integrált áramkörök fejlesztéséhez a -Moore utáni korszakban. A Nature Nanotechnology folyóiratban a közelmúltban jelentek meg releváns kutatási eredmények.
Building "atomic terraces" down-to-earth, breaking through two-dimensional semiconductor single crystal epitaxy
A félvezető egykristályos anyagok a mikroelektronikai ipar sarokkövét jelentik. A hagyományos 12- hüvelykes monokristályos szilícium lapkákhoz képest a kétdimenziós félvezetők előállítása még kis-léptékű és polikristályos stádiumban van. A nagy-felületű, jó minőségű-monokristályos vékonyrétegek kifejlesztése az első lépés a kétdimenziós integrált áramkörök felé. . A kétdimenziós anyagok növekedése során azonban milliónyi mikroszkopikus chip keletkezik véletlenszerűen, és csak úgy lehet monolitikus egykristályos anyagot előállítani, hogy az összes chipet úgy szabályozzuk, hogy az elrendezési irány szigorúan következetes legyen.
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.
Ha felnézünk a csillagokra, a két{0}}dimenziós félvezető fényt hoz a jövő kijelzőtechnológiájába
A nagy-felületű egy-kristályos anyagok áttörése lehetővé teszi két-dimenziós félvezetők alkalmazását. A második munkában, amely a harmadik-generációs félvezető-kutatás évekig tartó felhalmozódásán alapult, és a legújabb két-dimenziós félvezető egykristályos megoldással kombinálva az Elektronikai Iskola együttműködő csapata egy monolitikus integrált ultra modellt javasolt. -nagy felbontású-mikro LED-kijelző MoS2 vékonyréteg-tranzisztor meghajtó áramkörön alapul. Műszaki megoldások.
A Micro LED egy olyan technológiára utal, amely mikron{0}}léptékű LED-eket használ fénykibocsátó-pixelegységként, és meghajtó modulokkal szereli össze őket, hogy nagy-sűrűségű kijelzőtömböt hozzon létre. A jelenlegi főbb kijelzőtechnológiákhoz, például az LCD-hez és az OLED-hez képest, a Micro LED több generációs előnyökkel rendelkezik a fényerő, a felbontás, az energiafogyasztás, az élettartam, a válaszsebesség és a hőstabilitás tekintetében, és nemzetközileg elismert következő{3} {4}}generációs megjelenítési technológia.
A Micro LED iparosítása azonban még mindig számos kihívással néz szembe. Először is, nehéz megfelelni a nagy{0}}sűrűségű, kis méretű kijelzőegységek vezetési követelményeinek. Másodszor, az iparágban népszerű tömegátviteli technológia költség és hozam tekintetében nehezen tudja kielégíteni a nagy-felbontású kijelzők fejlesztési igényeit. Különösen az ultra-nagyfelbontású-alkalmazások esetében, mint például az AR/VR, nemcsak a felbontásnak kell meghaladnia a 3000 PPI-t, hanem a kijelző képpontjainak is gyorsabb válaszfrekvenciával kell rendelkezniük.
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.
