Todimensjonale halvledermaterialer, representert ved overgangsmetalldichalcogenider (TMDC), har egenskapene til ekstrem tykkelse, høy mobilitet og back-end heterogen integrasjon. De forventes å fortsette Moores lov og realisere integrerte kretser med tredimensjonal arkitektur. og bransjeoppmerksomhet. Etter nesten et tiår med utvikling har todimensjonal elektronikk gjort store fremskritt, men det er fortsatt utfordringer i utarbeidelsen av store enkeltkrystaller, viktige enhetsprosesser og kompatibilitet med vanlige halvlederteknologier.
Forskningsgruppen til prof. Xinran Wang fra School of Electronic Science and Engineering ved Nanjing University fokuserte på de ovennevnte problemene og forsket på gjennombrudd i nøkkelteknologiene til todimensjonal halvleder enkeltkrystallfabrikasjon og heterointegrasjon, som ga nye ideer til utvikling av integrerte kretser i post-Moore-tiden. Relevante forskningsresultater har nylig blitt publisert i Nature Nanotechnology.
Bygge "atomterrasser" jordnær, bryte gjennom todimensjonal halvleder enkelt krystall epitaxy
Halvleder enkeltkrystallmaterialer er hjørnesteinen i mikroelektronikkindustrien. Sammenlignet med de vanlige 12-tommers monokrystallinske silisiumskivene, er tilberedningen av todimensjonale halvledere fortsatt i liten skala og polykrystallinsk stadium. Utviklingen av store monokrystallinske tynnfilmer av høy kvalitet er det første skrittet mot todimensjonale integrerte kretser. . Men under veksten av todimensjonale materialer genereres millioner av mikroskopiske sjetonger tilfeldig, og det er bare mulig å skaffe et monolitisk enkeltkrystallmateriale ved å kontrollere alle sjetonger for å opprettholde en strengt konsistent arrangementsretning.
Safir er et mye brukt substrat i halvlederindustrien og har fremragende fordeler innen masseproduksjon, lav pris og prosesskompatibilitet. Samarbeidsteamet foreslo en ordning for å kunstig konstruere atomskala "terrasser" ved å endre retningen på atomtrappene på safiroverflaten. Den retningsbestemte veksten av TMDCer ble oppnådd ved den retningsbestemte induserte kjernemekanismen til "atomterrasser".
Basert på dette prinsippet oppnådde teamet epitoksialveksten til en 2-tommers MoS2 enkeltkrystallfilm for første gang i verden. Takket være forbedringen av materialkvaliteten er mobiliteten til felteffekttransistorer basert på MoS2 enkeltkrystall så høy som 102,6 cm2 / Vs, og den nåværende tettheten når 450 μA / μm, som er en av de høyeste omfattende forestillingene rapportert internasjonalt. Samtidig har teknologien god universalitet og er egnet for fremstilling av enkeltkrystaller av andre materialer som MoSe2. Dette arbeidet har lagt et materiell grunnlag for anvendelsen av TMDC innen integrerte kretser.
Når du ser opp på stjernene, bringer todimensjonale halvledere lys til fremtidig skjermteknologi
Gjennombruddet av store enkeltkrystallmaterialer gjør det mulig å påføre todimensjonale halvledere. I det andre arbeidet, basert på år med akkumulering av tredjegenerasjons halvlederforskning, kombinert med den nyeste todimensjonale halvleder enkeltkrystallløsningen, foreslo samarbeidsteamet til School of Electronics en monolitisk integrert ultrahøyoppløselig Micro LED-skjerm basert på MoS2 tynnfilmtransistordriverkrets. Tekniske løsninger.
Micro LED refererer til en teknologi som bruker mikron-skala lysdioder som lysemitterende pikselenheter og monterer dem med kjøremoduler for å danne en skjermkjede med høy tetthet. Sammenlignet med dagens vanlige skjermteknologier som LCD og OLED, har Micro LED tverrgenerasjonelle fordeler når det gjelder lysstyrke, oppløsning, energiforbruk, levetid, responshastighet og termisk stabilitet, og er en internasjonalt anerkjent neste generasjons skjermteknologi.
Industrialiseringen av Micro LED står imidlertid fortsatt overfor mange utfordringer. For det første er det vanskelig å matche kjørekravene til skjermenheter med høy tetthet i små størrelser. For det andre er masseoverføringsteknologien som er populær i bransjen vanskelig å møte utviklingsbehovene til skjermer med høy oppløsning når det gjelder kostnader og avkastning. Spesielt for programmer med ultrahøy oppløsning som AR/VR, er det ikke bare oppløsningen som kreves for å overskride 3000PPI, men også visningspikslene må ha en raskere responsfrekvens.
Samarbeidsteamet rettet mot feltet mikroskjerm med høy oppløsning, og foreslo en teknisk løsning for 3D monolitisk integrasjon av MoS2 tynnfilmtransistordriverkrets og GaN-basert Micro LED-skjermbrikke. Teamet utviklet en ikke-"massiv overføring" lavtemperatur monolitisk heterogen integrasjonsteknologi, ved hjelp av en nesten ikke-destruktiv stor størrelse todimensjonal halvleder TFT produksjonsprosess, for å oppnå en høy lysstyrke, høyoppløselig mikrodisplay på 1270 PPI, som kan møte behovene til fremtidige mikrodisplayer. Display, kjøretøydisplay, synlig lyskommunikasjon og andre bruksområder på tvers av felt.
Blant dem, sammenlignet med den tradisjonelle todimensjonale halvlederenhetsprosessen, forbedrer den nye prosessen utviklet av teamet ytelsen til tynne filmtransistorer med mer enn 200%, reduserer forskjellen med 67%, og maksimal kjørestrøm overstiger 200 μA / μm, noe som er bedre enn IGZO, LTPS og andre kommersielle materialer. Det viser det enorme applikasjonspotensialet til todimensjonale halvledermaterialer i skjermkjøringsindustrien. Dette arbeidet er det første i verden som integrerer to nye teknologier av høyytelses todimensjonal halvleder TFT og Micro LED, som gir en ny teknisk rute for fremtidig utvikling av Micro LED-skjermteknologi.
Ovennevnte verk kalles henholdsvis "Epitaxial vekst av wafer-skala molybden disulfid halvleder enkeltkrystaller på safir" (tilsvarende forfattere er Prof. Wang Xinran og Prof. Wang Jinlan fra Sørøst universitet) og "Tredimensjonale monolitiske Micro LED-skjerm drevet av atomtynn transistormatrise" (tilsvarende forfattere). Det ble publisert online i Nature Nanotechnology nylig.
Denne serien av arbeid har blitt støttet av prosjekter som Jiangsu-provinsens Frontier Leading Technology Basic Research Project, National Natural Science Foundation of China og National Key R&D Program. Changchun Institutt for optikk og mekanikk, Det kinesiske vitenskapsakademiet, Tianma Microelectronics Co., Ltd., Nanjing Huanxuan Semiconductor Co., Ltd., etc.
