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。

专业发展前景较好。

器件的EDA模型，需要有半导体物理、器件背景，会编程更好，就业方向可以研究所、做仿真器的EDA公司、晶圆厂等。半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用，如二极管就是采用半导体制作的器件。

盖世汽车讯 据外媒报道，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）与英国利兹大学（University of Leeds）的科学家和工程师们打造了首个电力驱动的拓补激光器，该激光器能够使光粒子绕开拐角，并且解决激光器设备制造过程中遇到的缺陷问题。

电驱动半导体激光器是如今最常见的激光器件，被用于条形码阅读器和激光打印机等产品、光纤通信行业以及自动驾驶汽车激光测距传感器等新兴应用。不过，制造此类激光器是一个严格的过程，如果在生产中激光结构中出现了任何缺陷，激光器就会无法很好地工作。

新加坡和英国科学家们表示，其研究克服了这一长期存在的问题，而且利用现有的半导体技术可以更高效地生产此类激光器，生产过程中造成的浪费也更少。他们利用了理论物理学中的拓补状态概念来制造拓补激光器。

在20世纪80年代，科学家们发现，某些材料中流动的电子具有拓补特征，意味着可以绕着角落或者缺陷流动，而不会散射或泄露出来。现在，新加坡南洋理工大学的工程师和物理学家组成的跨学科团队与英国利兹大学的材料科学家合作，将拓补方法应用于光粒子，即光子。

新加坡南洋理工大学电子电气工程学院首席科学家Qi Jie Wang表示：“每一批制造出来的激光设备都有一部分由于在制造过程中有了缺陷，而导致无法发射激光，这也是我们探索光的拓补状态的动机之一，因为光的拓补状态比普通光波强大得多。”

在目前的研究中，研究人员采用了一种被称为量子级联激光器的电驱动激光器，此种激光器基于利兹大学研发的先进半导体晶圆制成。

利兹大学工程与物理科学学院研究与创新中心前任主任Giles Davies FREng教授表示：“拓补激光器就是将基础科学现象应用于实际电子设备中的一个很好的例子，我们的研究也表明，该现象有能力可以提高激光系统的性能。”

为了在激光器平台上实现拓补状态，新加坡南洋理工大学与利兹大学团队研发了一种包含谷光子晶体的激光器，其设计灵感来自于被称为二维valleytronic（“谷”和“电子”的组合，在半导体的电子能带结构中使用局部能量最小值为谷）绝缘体的电子拓补材料。

该设计将六边形的空洞排列在三角形的晶格中，蚀刻在半导体晶圆上，使其非常紧凑。在该微观结构中，光的拓补结构在一个周长为1.2毫米的三角形回路中传播，充当一个光学谐振器，以积累形成激光束所需的光能。

新加坡南洋理工大学理论物理学家兼该研究的联合首席研究员Yi Dong Chong副教授表示：“光能够在此回路中传播，包括绕着三角形的尖角传播，是由于拓补结构的特殊特性，而普通的光波会被尖角打断，无法顺畅地传播。”

研究人员们指出，此种新型拓补量子级联激光器的一个有趣特性是，发出的光的频率是太赫兹，介于电磁波谱和红外区域之间。而太赫兹光被认为将主要用于未来传感器、照明和无线通用技术应用。

未来，该联合小组还将研究利用其他类型拓补状态的激光器。

Wang教授表示：“我们在该项目中利用的设计称为谷光子晶体，不是唯一一种创造拓补状态的方法。还有很多不同种类的拓补状态，能够针对不同类型的缺陷提供保护。我们认为，有可能可以根据不同设备和应用的需求来定制设计。”

2018年，以色列理工学院（Technion）与美国中佛罗里达大学（the University of Central Florida）也合作研发了一种拓补激光器，该激光器由一组互相连接的光学谐振器制成。研究人员表示，光的拓补状态可以有效地让其在激光阵列的角落和缺陷周围传播。不过，此种激光器原型的缺点是比大多数的半导体激光器大得多，而且要由光学驱动，意味着需要由另一个激光器驱动。（文中图片均来自新加坡南洋理工大学）

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