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.
گروه تحقیقاتی پروفسور Xinran Wang از دانشکده علوم و مهندسی الکترونیک دانشگاه نانجینگ بر مشکلات فوق تمرکز کردند و پیشرفتهایی را در فناوریهای کلیدی -ساخت تککریستال نیمههادی دو بعدی و هترو- انجام دادند. یکپارچه سازی، که ایده های جدیدی برای توسعه مدارهای مجتمع در دوران پس از{2}}مور ارائه کرد. نتایج تحقیقات مرتبط اخیراً در Nature Nanotechnology منتشر شده است.
Building "atomic terraces" down-to-earth, breaking through two-dimensional semiconductor single crystal epitaxy
مواد تک کریستالی نیمه هادی سنگ بنای صنعت میکروالکترونیک هستند. در مقایسه با ویفرهای سیلیکونی تک کریستالی 12{1}}اینچی معمولی، آمادهسازی نیمههادیهای دو بعدی هنوز در مقیاس کوچک-و مرحله چند بلوری است. توسعه لایههای نازک تکبلوری با مساحت بزرگ-با کیفیت بالا اولین قدم به سوی مدارهای مجتمع دو بعدی-است. . با این حال، در طول رشد مواد دو بعدی، میلیونها تراشه میکروسکوپی بهطور تصادفی تولید میشوند، و تنها با کنترل همه تراشهها برای حفظ یک جهت آرایش کاملاً سازگار، میتوان یک ماده تک بلوری یکپارچه به دست آورد.
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.
با نگاه کردن به ستاره ها،-نیمه هادی های دو بعدی نور را به فناوری نمایش آینده می بخشند.
پیشرفت مواد{0}}تک کریستالی-منطقه بزرگ، استفاده از نیمه هادی های دو بعدی- را ممکن می سازد. در کار دوم، بر اساس سالها انباشت-تحقیقات نیمهرسانای نسل سوم، همراه با آخرین راهحل نیمههادی تککریستال دو بعدی، تیم همکاری دانشکده الکترونیک یکپارچه فوقالعاده یکپارچه را پیشنهاد کرد. صفحه نمایش میکرو LED با وضوح -بالا- بر اساس مدار درایور ترانزیستور فیلم نازک MoS2. راه حل های فنی
میکرو LED به فناوریای اشاره دارد که از الایدیهای مقیاس میکرون-بهعنوان واحدهای پیکسل ساطع کننده نور{1} استفاده میکند و آنها را با ماژولهای محرک جمع میکند تا یک آرایه نمایشگر با تراکم{{2} بالا تشکیل دهد. در مقایسه با فناوریهای رایج نمایشگر فعلی مانند LCD و OLED، میکرو الایدی از نظر روشنایی، وضوح، مصرف انرژی، عمر مفید، سرعت پاسخگویی و پایداری حرارتی مزایای نسلی دارد و در سطح بینالمللی شناخته شده است{3} {4}}تکنولوژی نمایش نسل.
با این حال، صنعتی شدن Micro LED هنوز با چالش های زیادی روبرو است. اولاً، تطبیق الزامات رانندگی برای واحدهای نمایشگر با تراکم بالا در اندازههای کوچک دشوار است. ثانیاً، فناوری انتقال انبوه رایج در صنعت برای برآوردن نیازهای توسعه{1} نمایشگرهای با وضوح بالا از نظر هزینه و بازده دشوار است. مخصوصاً برای برنامههای کاربردی با وضوح{{3} فوقالعاده- مانند AR/VR، نه تنها رزولوشن باید بیش از 3000PPI باشد، بلکه پیکسلهای نمایشگر نیز باید فرکانس پاسخگویی سریعتری داشته باشند.
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.
