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。

二维材料是一类新的材料，厚度从单个原子层到几个原子层的材料称为二维材料。最典型的二维材料是石墨烯，只有一个原子厚，约0.34 nm厚，碳原子在平面内以共价键的形式结合，形成六边形蜂窝状平面结构。二维材料表现出不同于普通材料的奇异性质，这是由于其超薄的厚度造成的量子限制效应。例如，石墨烯中的电子在k点附近具有线性色散关系，在k点处表现为无质量狄拉克费米子，具有超高的载流子迁移率(约2E6 cm2V-1s-1，固态通信。

2008,146,351-355)体WS2为间隙半导体，而单层WS2为直接带隙半导体，具有超激子结合能(0.7-0.8 ev，Nature，2014，513，214-218；固态通信。, 2015, 203, 16-20.)，并显示出谷旋光特性(proc。纳特。阿卡德。sci。, 2014, 111, 11606-11611).因此，这些奇怪的性质使得二维材料成为物理、化学和材料科学研究的焦点。此外，二维材料的超薄特性有望解决常规半导体面临的短沟道效应，进一步缩小晶体管尺寸，在大规模集成电路领域具有潜在的应用前景。

二维材料包括超导、金属、半金属、拓扑绝缘体、半导体和绝缘体材料。例如，单层TaS2具有超导性，单层NbTe2为金属，少层Bi2Se3为拓扑绝缘体，单层WS2为直间隙半导体，单层BN为绝缘体。二维材料的带隙覆盖面积非常广，可以制备不同波段的光电探测器。随着研究的深入，二维材料的数量越来越多。

序言：半导体是各种机器不可或缺的一种组件。然而，半导体行业的发展，因为摩尔定律总是停滞不前。目前出现了新型二维材料，那么摩尔定律难以为继了吗？下面由小编来告诉大家。

一、什么是摩尔定律

摩尔定律的创始人是戈登摩尔。同时，戈登摩尔也是英特尔的创始人之一。摩尔定律简要说来就是集成电路上的经管个数便会在18个月后翻一倍。也就是说，机器的处理器性能每隔两年就会发生一次改变。但是值得注意的是，摩尔定律并非官方认证的自然科学定律，而是戈登摩尔的经验总结出来的。虽然摩尔定律并非是科学定律，但其也在一定程度上推动了科学信息技术的发展。

二、二维材料的发现

欣欣，到二维狄拉克材料是由北京大学物理学院的研究员吕劲带领其团队进行研究发现的。二维材料的发现，也许可以续写摩尔定律，对于经管体变化速度的证实。研究团队发现，以石墨烯作为主要成分的二维狄拉克材料，在费米面附近会出现光子吸引的线性能量色散。但是由于其并没有能细，所以即使具有很高的迁移率，但仍然不是半导体材料的最优选择。

三、新型二维材料发现的意义

吕静所带领的研究团队开创了以量子输运进行模拟试验的方法，这一方法在很大程度上解决了二维原子的计算问题。并且计算的结果与实验的结果相同。因此，这一实验对于二维尽管材料的优化具有积极的意义。通过模拟实验，团队们发现了比现有计件更好的细剑表现，并且能够满足国际半导体技术在未来十年发展的需要。因此，二维材料的发现有利于延续摩尔定律。

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