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。

碳化硅十大生产企业如下：

1、豪迈集团股份有限公司。

豪迈始创于1995年，地处山东半岛蓝色经济区的高密市。近五年来，以超过20%的速度稳步增长。产品涉及轮胎模具、高端机械零部件、油气装备、化工、精密锻造等，与美国GE、德国西门子、法国米其林、日本普利司通、德国大陆等20多家世界500强企业合作。

2、湖南三安半导体有限责任公司。

湖南三安半导体有限责任公司是上市公司三安光电股份有限公司的全资子公司（独立核算），业务涵盖碳化硅、氮化镓化合物半导体功率芯片的研发、设计、制造、及服务。

主要建设具有自主知识产权的衬底（碳化硅）、外延、芯片及封装产业生产基地，依托全产业链及大规模生产布局将使得公司节能芯片产品具有高性能、低成本、高可靠性等市场领先竞争优势。

3、瀚天天成电子科技（厦门）有限公司。

瀚天天成电子科技（厦门）有限公司成立于2011年，是中美合资高新技术企业，主营新型碳化硅半导体外延晶片。公司汇集了国内外碳化硅半导体领域优秀的专家人才，公司团队荣获2011年福建省高层次创业人才及厦门市“双百人才”。

4、中国电子科技集团公司第四十六研究所。

中国电子科技集团公司第四十六研究所始建于1958年，坐落于天津市河西区陈塘庄工业园区，是国家重点*电子材料研究机构，主要产品有保偏光纤、Sagnac环圈、光纤耦合器、光纤合束器、光纤激光器、光纤放大器等。

5、北京天科合达半导体股份有限公司。

北京天科合达半导体股份有限公司于2006年9月由新疆天富集团、中国科学院物理研究所共同设立，公司坚持现代企业管理制度，具备完整、规范的管理体系。

6、山西烁科晶体有限公司。

山西烁科晶体有限公司，简称“烁科晶体”，是中国电子科技集团公司第二研究所的全资子公司，公司成立于2018年10月，是一家从事三代半导体材料碳化硅研发生产的高新技术企业。

7、同辉电子科技股份有限公司。

同辉电子科技股份有限公司成立于2007年5月23日，公司在坚持LED 产业长期发展的基础上，积极布局市场潜力大、国家政策大力支持的智慧灯杆、充电桩及以 SiC为核心的第三代半导体产业。

8、江苏天科合达半导体有限公司。

江苏天科合达半导体有限公司为北京天科合达半导体股份有限公司的全资子公司，于2018年10月成立，专业从事第三代半导体碳化硅（SiC）晶片研发、生产和销售，为全球SiC晶片的主要生产商之一。

9、深圳基本半导体有限公司。

深圳基本半导体有限公司是中国第三代半导体行业企业，专业从事碳化硅功率器件的研发与产业化，在深圳南山、深圳坪山、北京亦庄、南京浦口、日本名古屋设有研发中心。

10、广东芯粤能半导体有限公司。

广东芯粤能半导体有限公司(筹)由世界500强企业吉利汽车参与投资。项目主要面向新能源汽车及相关应用领域的碳化硅（SiC）芯片产业化，包括芯片设计、芯片工艺研发与规模化制造等。

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