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.
Grupa badawcza prof. Xinrana Wanga z Wydziału Nauk Elektronicznych i Inżynierii Uniwersytetu w Nanjing skupiła się na powyższych problemach i zbadała przełomy w kluczowych technologiach wytwarzania dwu-wymiarowych monokryształów półprzewodnikowych i hetero- integracja, która dostarczyła nowych pomysłów na rozwój układów scalonych w po-erze Moore'a. Odpowiednie wyniki badań zostały niedawno opublikowane w Nature Nanotechnology.
Building "atomic terraces" down-to-earth, breaking through two-dimensional semiconductor single crystal epitaxy
Półprzewodnikowe materiały monokrystaliczne są podstawą przemysłu mikroelektronicznego. W porównaniu z popularnymi 12-calowymi monokrystalicznymi płytkami krzemowymi, przygotowanie dwu-wymiarowych półprzewodników jest wciąż na małym-skali i na etapie polikrystalicznym. Opracowanie dużych-powierzchniowych, wysokiej-jakości monokrystalicznych cienkich warstw to pierwszy krok w kierunku dwuwymiarowych-układów scalonych. . Jednak podczas wzrostu materiałów dwu-wymiarowych losowo generowane są miliony mikroskopijnych wiórów, a uzyskanie monolitycznego materiału monokrystalicznego jest możliwe tylko poprzez kontrolowanie wszystkich wiórów w celu zachowania ściśle spójnego kierunku ułożenia.
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.
Patrząc na gwiazdy, dwuwymiarowe półprzewodniki- wnoszą światło do przyszłej technologii wyświetlania
Przełom w dziedzinie materiałów -pojedynczych-kryształowych o dużej powierzchni umożliwia zastosowanie dwu-wymiarowych półprzewodników. W drugiej pracy, opartej na latach akumulacji badań nad półprzewodnikami trzeciej-generacji, w połączeniu z najnowszym rozwiązaniem dwu-wymiarowych półprzewodników monokryształowych, współpracujący zespół Szkoły Elektroniki zaproponował monolityczne zintegrowane ultra -wysokiej-wyświetlacz Micro LED o wysokiej rozdzielczości oparty na obwodzie sterownika tranzystora cienkowarstwowego MoS2. Rozwiązania techniczne.
Micro LED odnosi się do technologii, która wykorzystuje mikronowe-skalowane diody LED jako jednostki pikseli emitujące światło- i łączy je z modułami sterującymi w celu utworzenia tablicy wyświetlaczy o dużej-gęstości. W porównaniu z obecnymi głównymi technologiami wyświetlania, takimi jak LCD i OLED, Micro LED ma krzyżowe-zalety generacyjne pod względem jasności, rozdzielczości, zużycia energii, żywotności, szybkości reakcji i stabilności termicznej, i jest kolejnym uznanym na arenie międzynarodowej{{-} {4}}technologia wyświetlania generacji.
Jednak industrializacja Micro LED wciąż stoi przed wieloma wyzwaniami. Po pierwsze, trudno jest spełnić wymagania dotyczące jazdy w przypadku wyświetlaczy o dużej -gęstości w małych rozmiarach. Po drugie, popularna w branży technologia transferu masy jest trudna do zaspokojenia potrzeb rozwojowych wyświetlaczy o wysokiej-rozdzielczości pod względem kosztów i wydajności. Zwłaszcza w przypadku aplikacji o ultra-wysokiej- rozdzielczości, takich jak AR/VR, wymagana jest nie tylko rozdzielczość przekraczająca 3000 PPI, ale również piksele wyświetlacza muszą mieć szybszą częstotliwość odpowiedzi.
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.
