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.
Le groupe de recherche du professeur Xinran Wang de l'École des sciences et de l'ingénierie électroniques de l'Université de Nanjing s'est concentré sur les problèmes ci-dessus et a recherché des percées dans les technologies clés de la fabrication de monocristaux semi-conducteurs à deux-dimensions et de l'hétéro- l'intégration, qui a fourni de nouvelles idées pour le développement des circuits intégrés dans l'ère post-Moore. Des résultats de recherche pertinents ont été publiés récemment dans Nature Nanotechnology.
Building "atomic terraces" down-to-earth, breaking through two-dimensional semiconductor single crystal epitaxy
Les matériaux monocristallins semi-conducteurs sont la pierre angulaire de l'industrie de la microélectronique. Par rapport aux tranches de silicium monocristallin de 12-pouces grand public, la préparation de semi-conducteurs bi-dimensionnels en est encore à l'étape -à petite échelle et polycristalline. Le développement de couches minces monocristallines de grande-surface et de haute-qualité est la première étape vers des circuits intégrés-bidimensionnels. . Cependant, lors de la croissance de matériaux bidimensionnels, des millions de puces microscopiques sont générées de manière aléatoire, et il n'est possible d'obtenir un matériau monocristallin monolithique qu'en contrôlant toutes les puces pour maintenir une direction d'arrangement strictement cohérente.
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.
En regardant les étoiles,-les semi-conducteurs bidimensionnels éclairent la future technologie d'affichage
La percée des matériaux -monocristaux-de grande surface permet l'application de semi-conducteurs bi-dimensionnels. Dans le deuxième travail, basé sur des années d'accumulation de recherche sur les semi-conducteurs de troisième-génération, combinée à la dernière-solution monocristalline semi-conductrice bidimensionnelle, l'équipe coopérative de l'École d'électronique a proposé un ultra intégré monolithique Écran Micro LED -haute-résolution basé sur un circuit de commande de transistor à couche mince MoS2. Solutions techniques.
Micro LED fait référence à une technologie qui utilise des LED à l'échelle du micron-comme unités-de pixels émettant de la lumière et les assemble avec des modules de commande pour former une matrice d'affichage à haute-densité. Par rapport aux technologies d'affichage grand public actuelles telles que LCD et OLED, Micro LED présente des avantages trans-générationnels en termes de luminosité, de résolution, de consommation d'énergie, de durée de vie, de vitesse de réponse et de stabilité thermique. Technologie d'affichage de {4}} génération.
Cependant, l'industrialisation de la Micro LED fait encore face à de nombreux défis. Premièrement, il est difficile de répondre aux exigences de conduite des unités d'affichage à haute-densité dans les petites tailles. Deuxièmement, la technologie de transfert de masse populaire dans l'industrie est difficile à répondre aux besoins de développement d'écrans haute-résolution en termes de coût et de rendement. En particulier pour les applications à ultra-haute-résolution telles que AR/VR, non seulement la résolution doit dépasser 3000 PPI, mais également les pixels d'affichage doivent avoir une fréquence de réponse plus rapide.
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.
