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.
ركزت المجموعة البحثية للبروفيسور Xinran Wang من كلية العلوم والهندسة الإلكترونية بجامعة نانجينغ على المشكلات المذكورة أعلاه وبحثت الاختراقات في التقنيات الرئيسية - لتصنيع الكريستال أحادي الأبعاد وغير المتجانسة - التكامل ، والذي قدم أفكارًا جديدة لتطوير الدوائر المتكاملة في فترة ما بعد - مور. تم نشر نتائج الأبحاث ذات الصلة في Nature Nanotechnology مؤخرًا.
Building "atomic terraces" down-to-earth, breaking through two-dimensional semiconductor single crystal epitaxy
المواد البلورية أحادية أشباه الموصلات هي حجر الزاوية في صناعة الإلكترونيات الدقيقة. بالمقارنة مع رقاقات السليكون أحادية البلورية مقاس 12 بوصة السائدة ، فإن تحضير أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد - لا يزال في - المقياس الصغير والمرحلة متعددة الكريستالات. يعد تطوير أغشية رقيقة أحادية اللون ذات مساحة كبيرة - وعالية الجودة - الخطوة الأولى نحو - دوائر متكاملة ذات بعدين. . ومع ذلك ، أثناء نمو - من المواد ذات الأبعاد ، يتم إنشاء الملايين من الرقائق المجهرية بشكل عشوائي ، ولا يمكن الحصول على مادة أحادية البلورة متجانسة إلا عن طريق التحكم في جميع الرقائق للحفاظ على اتجاه ترتيب متسق تمامًا.
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.
بالنظر إلى النجوم ، فإن أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد - تجلب الضوء إلى تقنية العرض المستقبلية
بفضل اختراق المواد الكريستالية الكبيرة - ذات المساحة الواحدة - ، أصبح من الممكن تطبيق - أشباه موصلات ثنائية الأبعاد. في العمل الثاني ، استنادًا إلى سنوات تراكم - من أبحاث أشباه الموصلات من الجيل الثالث ، جنبًا إلى جنب مع أحدث حل بلوري أحادي الأبعاد ثنائي الأبعاد - ، اقترح الفريق التعاوني لمدرسة الإلكترونيات حلولًا متجانسة متكاملة فائقة شاشة LED صغيرة - عالية الدقة - تعتمد على دائرة محرك الترانزستور بغشاء رقيق MoS2. الحلول التقنية.
يشير Micro LED إلى تقنية تستخدم ميكرون - لمبات LED على شكل وحدات بكسل ضوئية - وتجمعها بوحدات تحكم لتكوين - مصفوفة عرض عالية الكثافة. بالمقارنة مع تقنيات العرض السائدة الحالية مثل LCD و OLED ، تتمتع Micro LED بمزايا عبر - الأجيال من حيث السطوع والدقة واستهلاك الطاقة وعمر الخدمة وسرعة الاستجابة والاستقرار الحراري ، وهي ميزة معترف بها دوليًا - {4}} إنشاء تقنية العرض.
ومع ذلك ، لا يزال تصنيع Micro LED يواجه العديد من التحديات. أولاً ، من الصعب مطابقة متطلبات القيادة - لوحدات العرض ذات الأحجام الصغيرة ذات الكثافة العالية. ثانيًا ، من الصعب أن تلبي تقنية النقل الشامل الشائعة في الصناعة احتياجات التطوير لشاشات العرض عالية الدقة - من حيث التكلفة والعائد. خاصة بالنسبة لتطبيقات الدقة - العالية - مثل AR / VR ، لا يلزم فقط أن تتجاوز الدقة 3000 بكسل لكل بوصة ، ولكن يجب أن تتمتع وحدات البكسل أيضًا بتردد استجابة أسرع.
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.
