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。

中科院物理研究所硕士生导师介绍:陈弘

简历：1984年西安交通大学电子工程系半导体器件专业毕业，获得学士学位，1992年中国科学院物理研究所获得博士学位，1992年至今从事分子束外延和MOCVD半导体材料生长及结构与物性研究。1996年～1997年香港科技大学访问工作，从事电镜研究。在国外主要刊物上发表论文40多篇，申请专利7项。现为物理所新型化合物半导体材料和物性研究课题组长。

主要研究方向：GaN基材料的MOCVD生长及物性研究，GaN基材料在发光二极管、激光器、紫外探测器、微电子方面的应用研究。我们课题组将在GaN基材料的物性研究和应用方面作出有特色的工作。

过去的主要工作及获得的成果：

1.发明了一种新的SiGe生长技术。采用低温Si作为应力释放的牺牲层的方法得到了位错密度低于106cm-2的完全弛豫的SiGe层。

2.对GaAs（001）衬底上生长GaN薄膜的相结构的控制进行了系统的研究，提出了完全不同于国外已经报道的影响GaN外延层相结构的生长机制如氮化及其温度和时间、As压的使用等。

3.在GaN基发光二极管外延片的研究中解决了大失配外延，量子阱的生长，发光二极管的结构的生长和设计的问题。GaN HEMT的研究解决了GaN的半绝缘和AlGaN的生长和HEMT的结构优化。承担了863、科学院创新重要方向、973和基金等课题。

目前的研究课题及展望：目前承担863课题“GaN基发光二极管的外延生长和器件工艺研究”，973和科学院创新工程重要方向课题“GaN基HEMT外延材料研究”，973课题“GaN基紫外探测器外延材料的研究”和基金课题“GaN基发光二极管的发光机理研究”。

2 陈弘，华东师范大学澳大利亚研究中心主任、新西兰研究中心主任、外语学院英语系高年级教研主任、中国澳大利亚研究学会副会长、中国跨文化交际学研究会上海分会亚太文化比较研究中心主任、《中国澳大利亚研究通讯》执行副主编。主要研究方向包括澳大利亚研究、新西兰研究、亚太问题研究、文学研究和文化研究。主要成果包括专著《当代澳大利亚社会》、《从孤立走向世界：澳大利亚文化简论》、《澳大利亚文学批评》等，编著《英国散文选读》、《英汉澳大利亚英语词典》、《澳洲之旅》、《英国艺术家随笔》、《汉英新词语词典》、《英语·师范院校英语专业用》第7册（教师用书）、《汉英大辞海》和《全球化时代亚太地区文化多样性与市民社会》等，译著《巴斯德传》、《南丁格尔传》和《无边的曼荼罗：帕特里克·怀特传》等，以及论文10余篇、译文数十篇。近年来屡获澳大利亚外交外贸部所属澳中理事会、澳大利亚国际教育发展署和澳大利亚La Trobe大学基金在澳大利亚从事访问研究和讲学。

近期，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究人员在聚合物半导体的自旋流探测及其薄膜结构-自旋传输性能关系研究中取得新进展，相关研究成果在美国化学会(ACS)旗下期刊《ACS应用材料和界面》(ACS App lied Materials &Interfaces)上在线发表。

有机半导体材料具有微弱自旋-轨道耦合和超精细相互作用，可作为有前途的自旋极化传输介质，因此寻找新型有机自旋电子材料、 探索 其自旋极化传输过程和机制具有重要意义。此前这方面研究大多通过制备有机自旋阀器件来测量携带着自旋极化的电子传输，但存在铁磁/半导体界面的电导失配等问题，严重制约了对有机半导体自旋传输特性定量深入研究。近年来，自旋泵浦激发和探测纯自旋流（不伴随净电荷电流）由于能克服界面电导失配问题，逐渐成为 探索 半导体材料本征自旋传输性质的有力手段。

强磁场中心张发培课题组与研究员童伟合作，采用铁磁共振(FMR)自旋泵浦技术 结合 逆自旋Hall效应（ISHE）测量，研究了新型聚合物半导体PBDTTT-C-T的自旋极化传输特性。他们通过设计一种适合低噪声电压测量的样品架，在NiFe/聚合物/Pt三明治结构中探测到清晰的ISHE信号，通过测量ISHE电压随PBDTTT层厚度的变化，观察到PBDTTT层中纯自旋流传输和长的自旋驰豫时间。

令人吃惊的是，研究人员首次利用半导体/绝缘体聚合物共混薄膜作为自旋极化传输介质，在低含量PBDTTT与绝缘的聚苯乙烯(PS)形成的共混薄膜中，仍能测量到很强的ISHE电压信号，并发现共混薄膜的自旋扩散长度和载流子迁移率相对于“纯”PBDTTT薄膜有显著的提高。他们通过综合性薄膜微结构测量发现，PBDTTT骨架链bundle在绝缘的PS基体中形成相互连通的纳米细丝网络，构成 贯穿 薄膜的快速电荷传导通路，可以解释共混薄膜更高的电荷和自旋传输能力。此外，还发现PBDTTT的自旋扩散长度具有弱的温度依存性，与基于自旋-轨道耦合的自旋弛豫机制一致。

这些结果清楚地表明，有机半导体的薄膜结构特性，如分子取向和堆积方式以及薄膜形貌等，对其自旋传输性能有关键性的影响。该工作对理解有机半导体自旋极化传输微观过程和机制有重要意义，并为寻找低成本、高性能有机自旋电子材料提供新途径。

该项研究获得国家自然科学基金项目以及国家重点研发项目的支持。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b16602

图(a) Py/PBDTTT-C-T/Pt三明治结构器件上ISHE效应的产生，(b) 该器件所测的总电压谱（随磁场变化）及其退卷积。其中VLorentz对应于ISHE电压，(c) ISHE电压分别随PBDTTT-C-T介质层和PBDTTT/PS共混膜介质层厚度的变化。由此推算出聚合物薄膜不同的自旋扩散长度ls。

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