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.
Η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Xinran Wang από τη Σχολή Ηλεκτρονικής Επιστήμης και Μηχανικής του Πανεπιστημίου Nanjing επικεντρώθηκε στα παραπάνω προβλήματα και ερεύνησε ανακαλύψεις στις βασικές τεχνολογίες της δισδιάστατης κατασκευής μονοκρυστάλλων ημιαγωγών και ετερο- ολοκλήρωση, η οποία παρείχε νέες ιδέες για την ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στη μετα-εποχή του Moore. Σχετικά ερευνητικά αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Nature Nanotechnology.
Building "atomic terraces" down-to-earth, breaking through two-dimensional semiconductor single crystal epitaxy
Τα ημιαγωγικά μονοκρυσταλλικά υλικά αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο της βιομηχανίας μικροηλεκτρονικών. Σε σύγκριση με τις κύριες γκοφρέτες μονοκρυσταλλικού πυριτίου 12-ιντσών, η προετοιμασία ημιαγωγών δύο διαστάσεων βρίσκεται ακόμη στο στάδιο της μικρής-κλίμακας και του πολυκρυσταλλικού. Η ανάπτυξη μονοκρυσταλλικών λεπτών μεμβρανών μεγάλης-επιφάνειας-υψηλής ποιότητας είναι το πρώτο βήμα προς τα ολοκληρωμένα κυκλώματα δύο-διαστάσεων. . Ωστόσο, κατά την ανάπτυξη δισδιάστατων υλικών, δημιουργούνται τυχαία εκατομμύρια μικροσκοπικά τσιπ και είναι δυνατό να ληφθεί ένα μονολιθικό μονοκρυσταλλικό υλικό μόνο ελέγχοντας όλα τα τσιπ για να διατηρηθεί μια αυστηρά συνεπής κατεύθυνση διάταξης.
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.
Κοιτάζοντας ψηλά στα αστέρια, οι δισδιάστατοι-ημιαγωγοί φέρνουν φως στη μελλοντική τεχνολογία οθόνης
Η ανακάλυψη{0}}μεγάλης επιφάνειας μονοκρυστάλλων-υλικών καθιστά δυνατή την εφαρμογή δισδιάστατων ημιαγωγών. Στη δεύτερη εργασία, βασισμένη σε χρόνια συσσώρευσης έρευνας ημιαγωγών τρίτης- γενιάς, σε συνδυασμό με την τελευταία λύση μονοκρυστάλλου δύο-διαστάσεων ημιαγωγών, η συνεργατική ομάδα της Σχολής Ηλεκτρονικών πρότεινε ένα μονολιθικό ολοκληρωμένο υπερ Οθόνη Micro LED -υψηλής- ανάλυσης βασισμένη στο κύκλωμα οδήγησης τρανζίστορ λεπτής μεμβράνης MoS2. Τεχνικές λύσεις.
Το Micro LED αναφέρεται σε μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί micron-κλίμακα LED ως μονάδες pixel που εκπέμπουν φως και τα συναρμολογεί με μονάδες οδήγησης για να σχηματίσει μια σειρά οθόνης υψηλής-πυκνότητας. Σε σύγκριση με τις τρέχουσες κύριες τεχνολογίες οθόνης, όπως LCD και OLED, το Micro LED έχει πολλαπλά-πλεονεκτήματα γενεών όσον αφορά τη φωτεινότητα, την ανάλυση, την κατανάλωση ενέργειας, τη διάρκεια ζωής, την ταχύτητα απόκρισης και τη θερμική σταθερότητα και είναι διεθνώς αναγνωρισμένο {4}}τεχνολογία προβολής γενιάς.
Ωστόσο, η εκβιομηχάνιση των Micro LED εξακολουθεί να αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις. Πρώτον, είναι δύσκολο να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις οδήγησης των μονάδων απεικόνισης υψηλής-πυκνότητας σε μικρά μεγέθη. Δεύτερον, η τεχνολογία μαζικής μεταφοράς που είναι δημοφιλής στον κλάδο είναι δύσκολο να καλύψει τις ανάγκες ανάπτυξης των οθονών- υψηλής ανάλυσης όσον αφορά το κόστος και την απόδοση. Ειδικά για εφαρμογές εξαιρετικά-υψηλής-ανάλυσης όπως το AR/VR, όχι μόνο απαιτείται η ανάλυση να υπερβαίνει τα 3000 PPI, αλλά και τα εικονοστοιχεία της οθόνης πρέπει να έχουν ταχύτερη συχνότητα απόκρισης.
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.
