半导体氧化物有那些？

作为“新一代电子的基础材料”而备受全球显示器技术人员关注的就是氧化物半导体TFT。因为氧化物半导体TFT是驱动超高精细液晶面板、OLED面板 以及电子纸等新一代显示器的TFT材料最佳候选之一。预计最早将在2012～2013年开始实用化，将来或许还会成为具备“柔性”和“透明”等特点的电子元件的实现手段。氧化物半导体是通常容易成为绝缘体的氧化物，但却具有半导体的性质。在众多物质当中，最受关注的是“透明非晶氧化物半导体（TAOS：Transparent Amorphous Oxide Semiconductors）”。非晶IGZO（In-Ga-Zn-O）就是一个代表性例子。除了三星和LG显示器等韩国企业外，日本的夏普、凸版印刷以及佳能等企业也在致力于TFT的应用开发。 TAOS类TFT的载流子迁移率高达10cm2/Vs以上，特性不均现象也较小。因此，可驱动像素为“4K×2K”（4000×2000像素级）、驱 动频率为240Hz的新一代高清晰液晶显示器。当前的标准技术——非晶硅类TFT以及作为新一代技术而被大力开发的有机半导体TFT因载流子迁移率只有数 cm2/Vs以下，很难应用到上述用途中。即使是在OLED显示器领域，与开发案例较多的低温多晶硅类TFT相比，实现大屏幕化时还是TAOS类TFT具 有优势这是因为AOS类TFT可以抑制OLED面板中存在着的因TFT特性不均而导致的显示不均现象。TAOS薄膜可通过溅射法形成，制造成本也容易降 低。制造工艺温度可低至接近室温这一点也是TAOS类TFT的一大魅力。可利用耐热性较差的树脂基板，因此能够实现可弯曲的电子纸等柔性显示器。利用TAOS膜的透明特性，有望使电子元件实现透明化等。进一步扩大氧化物半导体的用途时碰到的课题是如何实现p型半导体。如果能实现高质量的pn结，就有望应用于柔性透明的集成电路、LED以及太阳能电池等用途。

手机和平板电脑可以像报纸一样卷起来，隐形眼镜中集成的屏幕能够直接读取信息......这些听起来非常科幻的场景，在新型二维材料的推动下，正不断趋于现实。

二维材料 是一种具有单个或几个原子层厚度的新型晶体材料，目前已经发展成为一个完整的材料体系，涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体，铁电、铁磁、反铁磁等各种类型。高质量的二维材料在 探索 新的物理现象及进一步扩展其在微电子和光电子领域的应用方面发挥着重要作用。

松山湖材料实验室副主任张广宇研究员所带领的二维材料团队围绕二维材料的研究、制备及应用开展了一系列工作，并取得了国际领先的研究成果。

如今，“石墨烯”已成为大众所熟知的“明星材料”，石墨烯电池等产品也已逐步在商业领域有所应用。早在2004年，英国曼彻斯特大学Andre Geim教授课题组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯，从而引发了二维材料研究的热潮，相关研究者因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

近年来，在半导体器件发展微型化和柔性化的驱动下，二维材料由于其优异的光、电、机械性能（例如高灵敏度、超高透明度以及半导体特性等），表现出了独特的优势。

“二维材料的特殊性质赋予了它们广泛的应用前景。首先在物理属性上， 二维材料只有一个原子层厚度，这就使得该类材料具有超高的透明度以及良好的柔韧性。 ”张广宇介绍，未来，二维材料一个重要的应用方向就是柔性透明电子器件。

“二维材料表面没有悬键，外延生长制备的过程中对晶格匹配度要求不高，属于范德瓦尔斯外延，对材料和工艺基本没有限制要求。”张广宇表示。

二维材料的出现，为突破传统半导体器件在性能上的各种限制提供了新的途径，为实现各种功能应用提供了新的思路。

在不到一个指甲盖大小的面积上，可以集成超过1500个柔性二硫化钼场效应晶体管器件。2020年9月，张广宇所带领的团队在电子学期刊《Nature electronics》上发表了论文《基于单层二硫化钼场效应晶体管的大面积柔性透明电子器件》。

该团队利用外延生长得到的四英寸高质量、高定向单层二硫化钼薄膜，结合传统的微加工工艺，通过优化绝缘层与接触电阻，制备出了大面积柔性透明的二硫化钼场效应晶体管及各种逻辑器件。器件表现出了优异的特性： 晶体管器件密度可达1518个/平方厘米，成品率高达97%，是目前已报道结果中最高指标，处于国际领先水平 ；单个器件也表现出较好的电学性能和柔韧性。

张广宇指出，“目前，成熟的半导体工艺多采用8寸或者12寸硅材料晶圆，尺寸越大，集成芯片就越多，成本也越低。所以要实现大尺寸二硫化钼晶圆的制备也是一样的思路，但是越大的尺寸，也意味着更高的技术要求。”

大面积高质量的二硫化钼薄膜的制备，还存在晶粒尺寸较小、晶界多、取向随机等问题。 为解决这一难题，张广宇团队利用自主设计搭建的多源化学气相沉积系统，采用立式生长和多点形核的方法，在蓝宝石衬底上外延制备出了四英寸高质量连续的单层二硫化钼晶圆。

他这样形容其中的原理，“就像拿一个喷壶往墙上喷水，第一代设备只有一个喷头，这时喷的区域比较小；第二代设备是用三个喷头一起喷，这样喷出的面积就能扩大三倍；第三代设备是用六个源一起喷，这种情况下喷出的区域更大，更均匀。”

“二维半导体材料具 有很多优异的特性，可以弥补硅以及其它半导体材料在应用方面的不足，发挥材料自身的优势，实现一些新的、更加契合的应用场景。比如柔性可穿戴器件，超灵敏探测器等。 ”他表示，二维材料不是万能的，而是有适合自身的特殊应用场景，应该利用这些特点来开发它相对应的产品。

2019年初，松山湖材料实验室二维材料团队开始起步建设。他表示，二维材料团队主要聚焦有应用前景的材料研究。二维材料要真正应用到实际生活中，还要经历一段必不可少的过程，包括验证二维材料在原理和技术上的可行性，优化各种工艺参数、提高器件各方面性能等。

二维材料团队作为一个新团队，团队搭建是最重要的工作之一。目前团队固定成员不到十人，均具有不同的研究背景。“既有做材料的，也有做器件的；既有做加工和器件制备的，也有做表征和测量的......”张广宇表示，团队工作需要成员相互配合，这样才能更加高质量、高效率开展研究工作。

随着松山湖材料实验室建设步入正轨，越来越多优秀的海外研究人才选择加入实验室，在此开展自己的科研工作。团队中两位骨干青年科研人才，就是张广宇到欧洲宣讲时招聘引进的。在他看来，这是一个不错的兆头。“松山湖材料实验室作为广东省布局建设的新型科研机构，各方面资源相对充足，具备较强的吸引力。同时东莞也为科研人才提供了一个能够安心做事、专心科研的舞台。”

一、晶体结构的优点：

1、具有较高的电导率，具有很好的电热导电性能。

2、具有较大的量子效率，晶体电子可以有效地吸收和发射光能，可以实现高效的激光输出。

3、具有良好的化学稳定性，不易受到环境的影响。

4、具有很高的输出功率，可以输出大功率的激光。

二、二六族半导体的优点：

1、二六族半导体具有较高的折射率，可以吸收和发射更多的光能。

2、二六族半导体具有良好的透明性，能够吸收和发射较弱的光谱，从而实现更高的激光输出功率。

3、二六族半导体具有较高的光学质量，能够实现较高的激光精度和准确性。

4、二六族半导体具有良好的耐热性，能够适应高温环境。

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