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。

LED灯和显示器，以及高质量的太阳能电池板诞生于半导体的一场革命，它能有效地将能量转换为光，反之亦然。现在，下一代半导体材料即将问世。在一项新的研究中，研究人员发现，在他们改造照明技术和光电技术的潜力背后，隐藏着古怪的物理现象。将这些新兴所谓“混合半导体”的量子特性与其已有的进行比较，就像是将莫斯科芭蕾舞团比作千斤短跳。由乔治亚理工学院的研究人员领导的一个物理化学家团队称，由量子粒子组成的旋转团在这些新兴材料中波动，可以轻松地创造出非常理想的光电特性，这些相同的性质在现有半导体中是不现实的。

博科园-科学科普：在这些新材料中移动的粒子也参与了材料本身的量子运动，类似于舞蹈者吸引地板与他们一起跳舞。研究人员能够测量舞蹈引起的材料的模式，并将其与新兴材料的量子特性和引入材料的能量联系起来。这些见解可以帮助工程师有效地研究新型半导体。这种新兴材料能够容纳类似于舞者各种古怪的量子粒子运动，这与它在分子水平上的不寻常的灵活性直接相关，就像加入舞蹈的舞池一样。相比之下，现有半导体具有刚性的、直线排列的分子结构，这使得跳舞变成了量子粒子。研究人员检测的混合半导体被称为卤化物有机-无机钙钛矿(HOIP)，这将在底部与“混合”半导体名称一起详细解释。

“混合”半导体是将半导体中常见晶体晶格与一层具有创新d性的材料结合在一起。提升机不仅具有独特的光亮度和节能性能，而且易于生产和应用。乔治亚理工大学化学与生物化学学院的教授卡洛斯·席尔瓦说：一个令人信服的优势是，提升机是在低温下制造，并在溶液中进行处理。生产它们所需的能源要少得多，而且可以大批量生产。席尔瓦与乔治亚理工学院和意大利理工学院的Ajay Ram Srimath Kandada共同领导了这项研究。大多数半导体的小批量生产都需要很高温度，而且它们的表面很硬，但可以在起重机上涂上油漆来生产led、激光器，甚至是窗户玻璃，这些玻璃可以发出从海蓝宝石到紫红色的任何颜色的光。

吊装照明可能只需要很少的能源，而太阳能电池板制造商可以提高光电效率，降低生产成本。由佐治亚理工学院领导的研究小组包括来自比利时蒙斯大学和意大利理工学院研究人员。研究结果于2019年1月14日发表在《自然材料》上。这项研究由美国国家科学基金会、欧盟地平线2020、加拿大自然科学和工程研究理事会、丰德魁北克的pour la Recherche和比利时联邦科学政策办公室资助。光电器件中的半导体可以把光转换成电，也可以把电转换成光。研究人员专注于与后者相关的过程：光发射。让一种材料发光的诀窍，从广义上说，就是把能量应用到材料中的电子上，这样它们就能从围绕原子的轨道上获得量子跃迁，然后当它们跳回到空出的轨道上时，就能以光的形式释放出这种能量。

已建立的半导体可以在严格限制电子运动范围的材料区域捕获电子，然后将能量应用到这些区域，使电子一致地进行量子跃迁，在它们一致地跳下来时发出有用的光。这些是量子阱，材料的二维部分限制了这些量子特性，从而产生了这些特殊的光发射特性。有一种可能更具吸引力的发光方式，这也是新型混合半导体的核心优势。一个电子带负电荷，它被能量激发后空出的轨道叫做电子空穴。电子和空穴可以相互旋转形成一种假想粒子，或准粒子，称为激子。激子的正负吸引被称为结合能，这是一种非常高能的现象，这使得激子非常适合发光。当电子和空穴重新结合时，空穴释放出结合能来发光。但通常，激子很难在半导体中保持。

传统半导体中的激子特性只有在极冷温度下才稳定，但在提升过程中，激子性质在室温下非常稳定。激子从原子中释放出来并在物质中移动。此外，HOIP中的激子可以围绕其他激子旋转，形成准粒子，即双激子。还有更多。激子也会围绕材料晶格中的原子旋转。就像电子和电子空穴产生激子一样，激子绕原子核旋转会产生另一种准粒子，叫做极化子。所有这些作用都会导致激子向极化子转变。我们甚至可以说一些激子呈现出一种“极化子”的细微差别。使所有这些动力学更加复杂的是，提升装置充满了正离子和负离子。这些量子舞蹈的华丽对材料本身有着至关重要的影响。

不同寻常的是，材料中的原子与电子、激子、双激子和极化子共舞，在材料中产生了重复的纳米级凹痕，这些凹痕可以作为波型观察到，随着能量的增加，这些凹痕会发生位移和通量。在基态下，这些波型会以某种方式呈现，但随着能量的增加，激子的表现会有所不同。这改变了波浪模式，这就是我们所测量的。这项研究的关键观察结果是，波型随激子类型(激子、双激子、极化子/非极化子)的不同而变化。这些凹痕也会抓住激子，减缓它们在材料中的移动速度，所有这些华丽的动力学可能会影响光发射的质量。

该材料为卤化物有机-无机钙钛矿，是由两个无机晶格层构成的夹层，中间夹有一些有机材料，形成有机-无机杂化材料，量子作用发生在晶格中。中间的有机层就像一层橡皮筋，使水晶格子变成一个摇摆但稳定的舞池。此外，提升机与许多非共价键连接在一起，使材料柔软。晶体的单个单位以一种叫做钙钛矿形式存在，它是一种非常均匀的钻石形状，中间是一种金属，而像氯或碘这样的卤素在点上，因此被称为“卤化物”，在这项研究中，研究人员使用了含有公式(PEA)2PbI4的二维模型。

博科园-科学科普｜研究/来自：乔治亚理工学院

Ben Brumfield, Georgia Institute of Technology

参考期刊文献:《Nature Materials》

论文DOI: 10.1038/s41563-018-0262-7

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