南京大学团队在二维半导体领域取得关键突破

经过近十年的发展，二维电子学已经取得了巨大进步，但在大面积单晶制备、关键器件工艺、与主流半导体技术兼容性等方面仍存在挑战。

南京大学电子科学与工程学院王欣然教授课题组聚焦上述问题，研究突破二维半导体单晶制备和异质集成关键技术，为后摩尔时代集成电路的发展提供了新思路。相关研究成果近期连续发表在Nature Nanotechnology上。

半导体单晶材料是微电子产业的基石。与主流的12寸单晶硅晶圆相比，二维半导体的制备仍停留在小尺寸和多晶阶段，开发大面积、高质量的单晶薄膜，是迈向二维集成电路的第一步。然而，二维材料的生长过程中，数以百万计的微观晶粒随机生成，只有控制所有晶粒保持严格一致的排列方向，才有可能获得整体的单晶材料。

蓝宝石是半导体工业界广泛使用的一种衬底，在规模化生产、低成本和工艺兼容性方面具有突出的优势。合作团队提出了一种方案，通过改变蓝宝石表面原子台阶的方向，人工构筑了原子尺度的“梯田”。

利用“原子梯田”的定向诱导成核机制，实现了TMDC的定向生长。基于此原理，团队在国际上首次实现了2英寸MoS2单晶薄膜的外延生长。

得益于材料质量的提升，基于MoS2单晶制备的场效应晶体管迁移率高达102.6 cm2/Vs，电流密度达到450 μA/μm，是国际上报道的最高综合性能之一。同时，该技术具有良好的普适性，适用于MoSe2等其他材料的单晶制备，该工作为TMDC在集成电路领域的应用奠定了材料基础。

大面积单晶材料的突破使得二维半导体走向应用成为可能。在第二个工作中，电子学院合作团队基于第三代半导体研究的多年积累，结合最新的二维半导体单晶方案，提出了基于MoS2 薄膜晶体管驱动电路、单片集成的超高分辨Micro-LED显示技术方案。

Micro-LED是指以微米量级LED为发光像素单元，将其与驱动模块组装形成高密度显示阵列的技术。与当前主流的LCD、OLED等显示技术相比，Micro-LED在亮度、分辨率、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有跨代优势，是国际公认的下一代显示技术。然而，Micro-LED的产业化目前仍面临诸多挑战。

首先，小尺寸下高密度显示单元的驱动需求难以匹配。其次，产业界流行的巨量转移技术在成本和良率上难以满足高分辨率显示技术的发展需求。特别对于AR/VR等超高分辨应用，不仅要求分辨率超过3000PPI，而且还需要显示像元有更快的响应频率。

合作团队瞄准高分辨率微显示领域，提出了MoS2 薄膜晶体管驱动电路与GaN基Micro-LED显示芯片的3D单片集成的技术方案。团队开发了非“巨量转移”的低温单片异质集成技术，采用近乎无损伤的大尺寸二维半导体TFT制造工艺，实现了1270 PPI的高亮度、高分辨率微显示器，可以满足未来微显示、车载显示、可见光通讯等跨领域应用。

其中，相较于传统二维半导体器件工艺，团队研发的新型工艺将薄膜晶体管性能提升超过200%，差异度降低67%，最大驱动电流超过200 μA/μm，优于IGZO、LTPS等商用材料，展示出二维半导体材料在显示驱动产业方面的巨大应用潜力。

该工作在国际上首次将高性能二维半导体TFT与Micro-LED两个新兴技术融合，为未来Micro-LED显示技术发展提供了全新技术路线。

上述工作分别以 “Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire” （通讯作者为王欣然教授和东南大学王金兰教授）和 “Three dimensional monolithic micro-LED display driven by atomically-thin transistor matrix” （通讯作者为王欣然教授、刘斌教授、施毅教授和厦门大学张荣教授）为题， 近期在线发表于Nature Nanotechnology。

日本夏普公司前几年因为经营不善而陷入困境，最终日本政府机构也无法继续支持了，卖给了鸿海集团变成了一家台湾公司。不过作为LCD面板的发明人，夏普在液晶面板技术上还是有很多积累的，2012年他们率先量产了IGZO技术，性能比普通LCD面板更好。日前夏普公司宣布量产了第五代IGZO面板技术，去年发布的80寸8K电视已经使用了IGZO 5技术，电子迁移率比IGZO 4提升到1.5倍，未来将广泛应用于从移动到大尺寸电视的各种产品中，它不会是LCD面板专属，未来还可以用于OLED面板。

IGZO的全称是indium gallium zinc oxide，中文名叫氧化铟镓锌，这是一种新型的半导体材料，与非晶硅（α-Si）技术相比，IGZO的电子迁移率更高，可达前者的20-50倍，所以用于TFT（薄膜晶体管）的话性能更好，透光率更高，分辨率更大，功耗更低，晶体管体积也会更小，有助于改善面板的轻薄。

夏普2012年量产了IGZO面板技术，迄今已经发展了四代IGZO技术，日前夏普宣布量产第五代IGZO面板技术，与IGZO 4代技术相比，IGZO 5的电子迁移率提升到了1.5倍的水平。根据夏普的说法，IGZO 5面板不仅适用于8K 120Hz大尺寸高刷新率面板，也适用于中小尺寸移动版产品，因为IGZO 5面板技术功耗低了10%左右。

在去年11月发布的80寸8K夏普电视中，他们已经使用了IGZO 5面板技术。

此外，IGZO 5技术不仅适用于LCD面板，还可以用于OLED面板，凭借低功耗、大尺寸的优势主推OLED面板的发展。

New Mode 2技术其实是夏普提出的一个概念，是在屏幕显示视角上采用的一项新技术，是IPS的升级版。但是New Mode 2在被手机厂商推广的过程中被与CGS混为一谈。严格意义上来说，New Mode 2是一项技术，而CGS是实现这种技术的一种工艺。

之前网上流传的IGZO观点的文章和CGS观点的文章在下面保留，虽然IGZO观点是错误的，但其中谈到的很多技术介绍仍能达到科普的作用。但是我们应该认识到IGZO虽然是夏普新技术，效果上其实不如老的LTPS和CGS技术，其优势是成本低，详见CGS观点文章，CGS观点的最后一段更是精辟！ IGZO是什么？就是铟镓锡氧化物的缩写。主动式液晶屏幕从本质上来说，和集成电路是一样的，只不过集成电路是制作在一个硅片上的，而主动液晶屏是制作在玻璃基板上。在集成电路中，构成电路的核心元件是CMOS管，而在主动液晶屏上构成电路的核心元件叫薄膜晶体管，英文缩写为TFT。

一直以来都有一种说法，某某屏幕“比较差，因为它是TFT屏，远不如IPS屏”，这种说法是完全错误的，因为TFT是所有主动式液晶屏的基础元件，你所看到的几乎所有的液晶显示屏（电子表和计算器除外），都是主动屏，所以它们都是“TFT液晶”。那IPS是什么呢？IPS只是驱动液晶分子实现通光度调节功能的具体设计。让我们用交通工具做类比，交通工具里有汽车和自行车，恰如液晶屏有主动屏和被动屏；汽车又有前驱、后驱、四驱，恰如TFT液晶屏有TN、IPS和MVA等等类型。

回到之前的问题上来，IGZO是什么？任何晶体管都是基于半导体的，而玻璃并不是半导体，所以实际上在屏幕生产工艺中，都需要在制作面板之前先在玻璃基板上用各种方式去沉积一层硅，并以这个为基础去制作TFT，用这个TFT去控制由ITO制造的储能电容。沉积上去的硅是处于非晶体的状态，这就叫非晶硅。非晶硅的载流子迁移率很低，以此制造的TFT，不论是用来给蓄能电容充电还是放电，速度都会很慢，如果需要得到足够的性能，要么需要有较大的面积，要么就需要较高的驱动电压。这在以前并不是问题，但是随着手机的屏幕像素密度越来越高、分辨率越来越高，如果TFT的尺寸过大，就会导致开口率（开口率就是一个像素里透光的部分与整个面积的比值，因为TFT是不透光的的，所以自然开口率是小于1的）降低。开口率降低就意味着面板的透光性下降，为了得到足够的亮度，就需要更亮的背光，也就是会消耗更多的电量。如果提高驱动电压，可以减低TFT的尺寸，但是会带来动态功耗的增加，同时过小的TFT也会影响漏电，导致图像显示效果变差。

所以归根到底，核心问题就是：用于制造TFT的材料，非晶硅，载流子迁移率不够高。那么有什么办法来解决这个问题？有一个技术应该大家都听说过，那就是低温多晶硅，英文缩写叫LTPS，这种技术是用激光照射沉积上的硅，将其从非晶状态转化成多晶状态（就是说由很多细小的晶体构成，实际上非晶也不是真的没有晶体，只是非晶的晶体尺度远小于TFT的大小而已），这可以带来几乎100倍的载流子迁移率提升，自然就可以提升开口率、减低功耗。可能很多人不知道，M8的屏幕就采用了LTPS技术。但是LTPS有一个很致命的问题，看介绍也知道，激光照射，这导致LTPS的屏幕成本较高，而且也无法制作大面积的基板。

这就是为什么LTPS一直以来都不是很普及的原因，也是IGZO诞生的意义所在。IGZO作为一种复合氧化物半导体材料，如果用它来取代硅，将其沉积在玻璃基板上，也可以用来制作TFT，而IGZO有着几个很大的优势：首先，它的载流子迁移率比非晶硅高，虽然远不如多晶硅，但是实际上也可以做到非晶硅3～15倍的性能，这样的提升已经很大了。其次，IGZO不需要复杂的激光退火工艺，利于生产大尺寸面板。最后，IGZO是透明的，这意味着用IGZO做的TFT也是透明的，这可以进一步提升液晶屏的开口率。

说到这里应该也是明白了，所谓的IGZO，是液晶屏基础材料上的革新，它的意义就像是改用铝合金而不是铸铁去制作汽车发动机的汽缸体。不论是铝合金发动机还是铸铁发动机，汽车都可以是前驱、后驱或者四驱，同样的，不论是非晶硅、多晶体硅还是IGZO，都可以用各种方式去控制液晶分子的工作状态——可以有IPS的IGZO屏，也可以有MVA的IGZO屏，自然也可以有TN的IGZO屏——因此IGZO无法直接的带来更好的显示效果（事实上IGZO的直接意义是省电，这点一直以来都是被误解最多的）。所以IGZO只是New Mode 2的一部分，远远不是全部。

TFT显示屏作为一种储能式的显示屏，每个像素的状态是靠对应TFT所控制的储能电容所决定的。电容可以充电，自然就可以放电，而放电除了TFT泄放以外，还会因为漏电而消失，所以不论显示的是静态图像还是动态图像，TFT显示屏都需要不断的重复往屏幕里写入数据，以保证显示的图像是稳定的。这个写入的频率绝大多数都是60Hz，因为如果写入速度太慢，在两次写入之间，由于储能电容的漏电，画面就会产生变化，最终会导致图片出现色彩失真甚至抖动。IGZO屏幕的一大特点是低漏电，这可以让IGZO屏在外部驱动关闭的情况下维持更长时间的图像稳定，因此夏普在IGZO的驱动电路中增加了一个功能，那就是动态刷新率：如果屏幕显示的是静态图像，那么屏幕的刷新率可以降低到比如说10Hz，对应功耗可以降低到正常屏幕的1/10。这些技术结合起来，最终得到的就是IGZO屏幕在同样背光功率下亮度可以增加大约40%，同时面板的驱动功率可以降低到原先的1/5左右，这是MX2的标称续航远超过MX的原因之一。

至此，New Mode 2所包含的内容，应当就是这样四个部分：IGZO材料、X-IPS工作模式、动态亮度调整和动态刷新率控制。 现在流传最广的观点是New Mode 2是夏普最新的IGZO屏（以下简称IGZO论），我们来看下IGZO的资料，就能找出诸多的不符：

IGZO（Indium Gallium Zinc Oxide 氧化铟镓锌）虽然拥有较a-Si (amorphous silicon非晶硅) 更高的画质精细度、更低的耗电量，以及更流畅的触控功能，但是其电子移动速度与画面精细度稍逊于CGS (Continuous Grain Silicon连续粒状结晶硅)与LTPS（Low TemperaturePoly-silicon低温多晶硅），整体而言适用于需求介于a-Si与LTPS的终端产品，且具成本优势，主要供货目标是平板电脑、超级本这些产品。夏普方面定位是300ppi以上用LTPS或CGS，300ppi以下用IGZO（也可以用IGZO但是精度上会差些看客户要求）。由于IGZO的成本优势，夏普将继续研发IGZO，以使它用于更精细的屏幕，被大家所熟悉的就是498ppi的IGZO，但是成熟量产还是未来的事，不在本帖讨论范围。

注：CGS，是一种LTPS的变体（夏普文档原文是a variant of the LTPS），夏普独有的玻璃基板制造工艺

大家清楚了吧，IGZO虽然是夏普最新技术，但它实际上不如LTPS，它的优势是成本低，由于LTPS需要通过照射激光使半导体层结晶，成本高，做10寸以上的屏太贵，市场需要介于a-Si和LTPS之间的一种技术，夏普苦心研发的IGZO，IGZO并不是瞄准的高端手机市场（以后的发展不在本帖讨论范围）。IGZO论的一个论据是“LTPS做大屏成本高，所以LTPS一直以来都不是很普及，是IGZO诞生的意义所在”，上文提到了这是在平板笔电上说的，但是不适用手机，IGZO论选错了参照对象，和平板笔电比，4.x寸是很小的屏幕！高端手机中LTPS是普及的下文会讲到。

IGZO论认为“IGZO的电子移动速度较a-si快3~15倍，与New Mode 2的3X电子移动速度刚好符合”，这是错误的，实际上IGZO的电子移动速度大约是a-Si的20～50倍，LTPS是上百倍没错。

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