Zweidimensionale Halbleitermaterialien, dargestellt durch Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs), zeichnen sich durch extreme Dicke, hohe Mobilität und heterogene Back-End-Integration aus. Es wird erwartet, dass sie das Mooresche Gesetz fortsetzen und integrierte Schaltkreise mit dreidimensionaler Architektur realisieren. und Die Aufmerksamkeit der Branche. Nach fast einem Jahrzehnt der Entwicklung hat die zweidimensionale Elektronik große Fortschritte gemacht, aber es gibt immer noch Herausforderungen bei der Herstellung von großflächigen Einkristallen, Schlüsselbauelementprozessen und der Kompatibilität mit Mainstream-Halbleitertechnologien.
Die Forschungsgruppe von Prof. Xinran Wang von der School of Electronic Science and Engineering der Nanjing University konzentrierte sich auf die oben genannten Probleme und erforschte Durchbrüche in den Schlüsseltechnologien der zweidimensionalen Halbleiter-Einkristallherstellung und Hetero-Integration, die neue Ideen für die Entwicklung integrierter Schaltkreise in der Post-Moore-Ära lieferten. Relevante Forschungsergebnisse wurden kürzlich in Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Bodenständige "Atomterrassen" bauen, zweidimensionale Halbleiter-Einkristallepitaxie durchbrechen
Halbleiter-Einkristallmaterialien sind der Eckpfeiler der Mikroelektronikindustrie. Im Vergleich zu den mainstreamigen monokristallinen 12-Zoll-Siliziumwafern befindet sich die Herstellung von zweidimensionalen Halbleitern noch im kleinräumigen und polykristallinen Stadium. Die Entwicklung großflächiger, hochwertiger monokristalliner Dünnschichten ist der erste Schritt hin zu zweidimensionalen integrierten Schaltkreisen. . Während des Wachstums von zweidimensionalen Materialien werden jedoch Millionen von mikroskopisch kleinen Chips zufällig erzeugt, und es ist nur möglich, ein monolithisches einkristallines Material zu erhalten, indem alle Chips kontrolliert werden, um eine streng konsistente Anordnungsrichtung aufrechtzuerhalten.
Saphir ist ein weit verbreitetes Substrat in der Halbleiterindustrie und hat herausragende Vorteile in der Massenproduktion, niedrige Kosten und Prozesskompatibilität. Das kollaborierende Team schlug ein Schema vor, um "Terrassen" im atomaren Maßstab künstlich zu konstruieren, indem die Richtung der atomaren Schritte auf der Saphiroberfläche geändert wird. Das gerichtete Wachstum von TMDCs wurde durch den richtungsinduzierten Keimbildungsmechanismus von "Atomterrassen" erreicht.
Basierend auf diesem Prinzip gelang dem Team zum ersten Mal weltweit das epitaktische Wachstum eines 2-Zoll-MoS2-Einkristallfilms. Dank der Verbesserung der Materialqualität beträgt die Mobilität von Feldeffekttransistoren auf Basis von MoS2-Einkristallen bis zu 102,6 cm2/Vs, und die Stromdichte erreicht 450 μA/μm, was eine der höchsten international gemeldeten Gesamtleistungen ist. Gleichzeitig hat die Technologie eine gute Universalität und eignet sich für die Herstellung von Einkristallen anderer Materialien wie MoSe2. Diese Arbeit hat eine wesentliche Grundlage für die Anwendung von TMDC im Bereich der integrierten Schaltungen gelegt.
Mit Blick auf die Sterne bringen zweidimensionale Halbleiter Licht in die zukünftige Display-Technologie
Der Durchbruch großflächiger einkristalliner Materialien ermöglicht den Einsatz von zweidimensionalen Halbleitern. In der zweiten Arbeit, die auf der jahrelangen Anhäufung von Halbleiterforschung der dritten Generation in Kombination mit der neuesten zweidimensionalen Halbleiter-Einkristalllösung basiert, schlug das Kooperationsteam der School of Electronics ein monolithisches integriertes ultrahochauflösendes Micro-LED-Display vor, das auf einer MoS2-Dünnschichttransistor-Treiberschaltung basiert. Technische Lösungen.
Micro-LED bezieht sich auf eine Technologie, die LEDs im Mikrometerbereich als lichtemittierende Pixeleinheiten verwendet und sie mit Antriebsmodulen zu einem High-Density-Display-Array zusammenfügt. Im Vergleich zu den aktuellen Mainstream-Display-Technologien wie LCD und OLED hat Micro LED generationsübergreifende Vorteile in Bezug auf Helligkeit, Auflösung, Energieverbrauch, Lebensdauer, Ansprechgeschwindigkeit und thermische Stabilität und ist eine international anerkannte Display-Technologie der nächsten Generation.
Die Industrialisierung von Micro LED steht jedoch noch vor vielen Herausforderungen. Erstens ist es schwierig, die Fahranforderungen von High-Density-Anzeigeeinheiten in kleinen Größen zu erfüllen. Zweitens ist die in der Branche beliebte Massentransfertechnologie schwierig, die Entwicklungsanforderungen von hochauflösenden Displays in Bezug auf Kosten und Ertrag zu erfüllen. Gerade bei ultrahochauflösenden Anwendungen wie AR/VR muss nicht nur die Auflösung 3000PPI überschreiten, sondern auch die Displaypixel eine schnellere Ansprechfrequenz haben.
Das Kooperationsteam zielte auf den Bereich der hochauflösenden Mikroanzeige ab und schlug eine technische Lösung für die monolithische 3D-Integration von MoS2-Dünnschichttransistortreiberschaltung und GaN-basiertem Micro-LED-Display-Chip vor. Das Team entwickelte eine monolithische heterogene Integrationstechnologie ohne "massive Übertragung" bei niedrigen Temperaturen, die einen nahezu zerstörungsfreien, großformatigen zweidimensionalen Halbleiter-TFT-Herstellungsprozess verwendet, um ein hochauflösendes Mikrodisplay mit hoher Helligkeit von 1270 PPI zu erreichen, das die Anforderungen zukünftiger Mikrodisplays erfüllen kann. Display, Fahrzeugdisplay, Visible-Light-Kommunikation und andere feldübergreifende Anwendungen.
Im Vergleich zum traditionellen zweidimensionalen Halbleiterbauelementprozess verbessert das neue Verfahren, das vom Team entwickelt wurde, die Leistung von Dünnschichttransistoren um mehr als 200%, reduziert die Differenz um 67% und der maximale Antriebsstrom übersteigt 200 μA / μm, was besser ist als IGZO, LTPS und andere kommerzielle Materialien. Es zeigt das enorme Anwendungspotenzial von zweidimensionalen Halbleitermaterialien in der Display-Driving-Industrie. Diese Arbeit ist die erste der Welt, die zwei aufkommende Technologien des zweidimensionalen Hochleistungshalbleiters TFT und Micro LED integriert, was einen neuen technischen Weg für die zukünftige Entwicklung der Micro-LED-Display-Technologie darstellt.
Die oben genannten Arbeiten heißen jeweils "Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire" (korrespondierende Autoren sind Prof. Wang Xinran und Prof. Wang Jinlan von der Southeast University) und "Three dimensional monolithic Micro LED display driven by atomically-thin transistor matrix" (korrespondierende Autoren). Es wurde kürzlich online in Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Diese Reihe von Arbeiten wurde durch Projekte wie das Frontier Leading Technology Basic Research Project der Provinz Jiangsu, die National Natural Science Foundation of China und das National Key R&D Program unterstützt. Changchun Institut für Optik und Mechanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Tianma Microelectronics Co., Ltd., Nanjing Huanxuan Semiconductor Co., Ltd., etc.
