二維半導體材料，以過渡金屬硫族化合物（TMDC）為代表，具有極限厚度、高遷移率和後端異質集成等特點，有望延續摩爾定律並實現三維架構的集成電路，因此受到了學術界和工業界的關注。經過近十年的發展，二維電子學已經取得了巨大進步，但在大面積單晶製備、關鍵器件製程、與主流半導體技術兼容性等方面仍存在挑戰。

南京大學電子科學與工程學院王欣然教授課題組聚焦上述問題，研究突破二維半導體單晶製備和異質集成關鍵技術，為後摩爾時代集成電路的發展提供了新思路。相關研究成果近期連續發表在Nature Nanotechnology上。

腳踏實地構築「原子梯田」，突破二維半導體單晶外延

半導體單晶材料是微電子產業的基石。與主流的12吋單晶硅晶圓相比，二維半導體的製備仍停留在小尺寸和多晶階段，開發大面積、高質量的單晶薄膜，是邁向二維集成電路的第一步。然而，二維材料的生長過程中，數以百萬計的微觀晶粒隨機生成，只有控制所有晶粒保持嚴格一致的排列方向，才有可能獲得整體的單晶材料。

藍寶石是半導體工業界廣泛使用的一種襯底，在規模化生產、低成本和製程兼容性方面具有突出的優勢。合作團隊提出了一種方案，通過改變藍寶石表面原子台階的方向，人工構築了原子尺度的「梯田」。利用「原子梯田」的定向誘導成核機制，實現了TMDC的定向生長。

基於此原理，團隊在國際上首次實現了2吋MoS2單晶薄膜的外延生長。得益於材料品質的提升，基於MoS2單晶製備的場效應晶體管遷移率高達102.6 cm2/Vs，電流密度達到450 μA/μm，是國際上報導的最高綜合性能之一。同時，該技術具有良好的普適性，適用於MoSe2等其他材料的單晶製備，該工作為TMDC在集成電路領域的應用奠定了材料基礎。

仰望星空，二維半導體為未來顯示技術帶來光明

大面積單晶材料的突破使得二維半導體走嚮應用成為可能。在第二個工作中，電子學院合作團隊基於第三代半導體研究的多年積累，結合最新的二維半導體單晶方案，提出了基於MoS2薄膜晶體管驅動電路、單片集成的超高解析度Micro LED顯示技術方案。

Micro LED是指以微米量級LED為發光畫素單元，將其與驅動模塊組裝形成高密度顯示陣列的技術。與當前主流的LCD、OLED等顯示技術相比，Micro LED在亮度、解析度、能耗、使用壽命、響應速度和熱穩定性等方面具有跨代優勢，是國際公認的下一代顯示技術。

然而，Micro LED的產業化目前仍面臨諸多挑戰。首先，小尺寸下高密度顯示單元的驅動需求難以匹配。其次，產業界流行的巨量轉移技術在成本和良率上難以滿足高解析度顯示的發展需求。特別對於AR/VR等超高分辨應用，不僅要求解析度超過3,000PPI，而且還需要顯示像元有更快的響應頻率。

合作團隊瞄準高解析度微顯示領域，提出了MoS2 薄膜晶體管驅動電路與GaN基Micro LED顯示晶片的3D單片集成的技術方案。團隊開發了非「巨量轉移」的低溫單片異質集成技術，採用近乎無損傷的大尺寸二維半導體TFT製造製程，實現了1,270 PPI的高亮度、高解析度微顯示器，可以滿足未來微顯示、車載顯示、可見光通訊等跨領域應用。

其中，相較於傳統二維半導體器件製程，團隊研發的新型製程將薄膜晶體管性能提升超過200%，差異度降低67%，最大驅動電流超過200 μA/μm，優於IGZO、LTPS等商用材料，展示出二維半導體材料在顯示驅動產業方面的巨大應用潛力。該工作在國際上首次將高性能二維半導體TFT與Micro LED兩個新興技術融合，為未來Micro LED顯示技術發展提供了全新技術路線。

上述工作分別以「Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire」（通訊作者為王欣然教授和東南大學王金蘭教授）和「Three dimensional monolithic Micro LED display driven by atomically-thin transistor matrix」（通訊作者為王欣然教授、劉斌教授、施毅教授和廈門大學張榮教授）為題，近期在線發表於Nature Nanotechnology。

該系列工作得到了江蘇省前沿引領技術基礎研究專項、國家自然科學基金和國家重點研發計畫等支持，合作單位包括南京大學現代工程與應用科學學院、東南大學、南京工業大學、廈門大學、中科院長春光機所、天馬微電子股份有限公司、南京浣軒半導體有限公司等。

（來源：南京大學）