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 grupo de investigación del Prof. Xinran Wang de la Escuela de Ciencias Electrónicas e Ingeniería de la Universidad de Nanjing se centró en los problemas anteriores e investigó avances en las tecnologías clave de la fabricación de cristal único semiconductor bidimensional y hetero- integración, que proporcionó nuevas ideas para el desarrollo de circuitos integrados en la era posterior-Moore. Resultados de investigaciones relevantes se han publicado recientemente en Nature Nanotechnology.
Building "atomic terraces" down-to-earth, breaking through two-dimensional semiconductor single crystal epitaxy
Los materiales monocristalinos semiconductores son la piedra angular de la industria microelectrónica. En comparación con las obleas de silicio monocristalino de 12-pulgadas convencionales, la preparación de semiconductores bi-dimensionales aún se encuentra en la etapa policristalina a pequeña-escala. El desarrollo de películas delgadas monocristalinas de gran-área y alta-calidad es el primer paso hacia los circuitos integrados bi-dimensionales. . Sin embargo, durante el crecimiento de materiales bi-dimensionales, se generan aleatoriamente millones de chips microscópicos, y solo es posible obtener un material monocristalino monolítico controlando todos los chips para mantener una dirección de disposición estrictamente consistente.
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.
Mirando hacia las estrellas, los semiconductores bidimensionales -traen luz a la tecnología de visualización del futuro
El avance de los materiales monocristalinos-de gran-área hace posible la aplicación de semiconductores bi-dimensionales. En el segundo trabajo, basado en años de acumulación de investigación de semiconductores de tercera-generación, combinados con la última solución de cristal único de semiconductor bi-dimensional, el equipo cooperativo de la Escuela de Electrónica propuso un ultra Pantalla Micro LED de -alta-resolución basada en un circuito controlador de transistor de película delgada MoS2. Soluciones técnicas.
Micro LED hace referencia a una tecnología que utiliza LED de escala de micras-como unidades de píxeles emisores de luz-y los ensambla con módulos de conducción para formar una matriz de visualización de alta-densidad. En comparación con las principales tecnologías de visualización actuales, como LCD y OLED, Micro LED tiene ventajas intergeneracionales-en términos de brillo, resolución, consumo de energía, vida útil, velocidad de respuesta y estabilidad térmica, y es una próxima tecnología reconocida internacionalmente{ Tecnología de pantalla de {4}}generación.
Sin embargo, la industrialización de Micro LED aún enfrenta muchos desafíos. En primer lugar, es difícil cumplir los requisitos de conducción de unidades de visualización de alta-densidad en tamaños pequeños. En segundo lugar, la tecnología de transferencia masiva popular en la industria es difícil de satisfacer las necesidades de desarrollo de pantallas de alta-resolución en términos de costo y rendimiento. Especialmente para aplicaciones de resolución ultra-alta-como AR/VR, no solo se requiere que la resolución supere los 3000 PPI, sino que también los píxeles de la pantalla deben tener una frecuencia de respuesta más rápida.
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.
