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。

近日，半导体领域迎来重磅消息，南大光电的ArF光刻胶取得突破，国产光刻胶终于来了！

南大光电光刻胶突破

早在5月30日，南大光电就已经发布公告称，公司自主研发的ArF光刻胶产品通过客户认证，具备55nm工艺要求。

7月2日，有报道称，南大光电的ArF光刻胶产品目前已经拿到了小批量订单。

这都在表明，国产光刻胶终于不再受制于人，而是实现国产化了。

芯片在制造过程中，除了硅这种主要材料之外，一些辅助材料也至关重要，其中有一种名为光刻胶的材料，在芯片制造过程中必不可少，然而，这个材料却长期被日本垄断，中国也在这方面一直被卡脖子。

而最近传出的一个消息，对我国半导体的发展非常不利，日本对中国供应的光刻胶出现了“断供”的现象。美国召开G7峰会后，日本宣布光刻胶断供中国，日本信越化学等光刻胶企业开始限制供应ArF光刻胶产品。

断供光刻胶，对半导体行业的人而言并不陌生，2019年日韩贸易冲突白热化，日本就断供了光刻胶，导致当时全球最大的芯片厂商三星陷入了困境之中。

虽然韩国积极向日本低头求和并开展自救，但芯片生产依然受到巨大影响，间接推动了2020年的芯片短缺。

巧妇难为无米之炊，没有了光刻胶，对于中国的晶圆厂而言是巨大的打击，芯片生产将被迫停止！

好在，光刻胶的国产化进程并不慢，日企断供短短半年时间，南大光电就已经将国产光刻胶投入市场中了。

南大光电，成立于2000年12月，是以南京大学国家863计划研究成果作为技术支持的中国高纯金属有机化合物MO源的产业化基地。

1986年，863计划启动，在高济宇院士的支持和指导下，学者孙祥祯牵头进行MO源的技术攻关。MO源是一种禁运物资，更是生产化合物半导体的源头材料，对我国国防安全、高 科技 民族工业有重要意义。

历经重重困难，孙祥祯带领的课题组终于研制出了纯度大于5.5N的多个品种的MO源，全面向国内近20家研究单位供货，缓解了我国对MO源的急求。

这项工艺不仅促进了国防工业的发展，更为国内化合物半导体材料的发展奠定了原始的基础。

孙祥祯退休后，带领年轻人创立了南大光电，注册资本3770万元，生产拥有自主知识产权的高纯金属有机化合物，是国内唯一实现MO源产业化的企业，公司的技术主要来源便是南京大学863计划中的项目。

公司主要产品有三甲基镓，三甲基铟，三甲基铝，二茂镁等十几种MO源，在产品的合成、纯化、分析、封装、储运及安全 *** 作等方面已达到国际先进水平，产品远销日本、韩国、欧洲市场，并占有大陆70%的市场份额。

作为国内唯一将半导体光学原材料实现量产的企业，南大光电对于光刻胶可以说十分熟悉，也是最有可能突破光刻胶技术的企业。

中国半导体在崛起

光刻胶到底是做什么用的呢？

芯片生产过程中，需要用光学材料将数以万计的电路刻在小小的7nm的芯片上，而这种辅助的光学材料，就是光刻胶。

在光刻胶领域，材料主要分为四种，分别为g线、i线、KrF、ArF光刻胶，半导体工艺越高，光刻机的精度越高，照射的光线频率越高，波长越短。

光刻胶的分辨率会随着光线频率的改变而不断变化，基本的演进路线是：g线（436nm） i线（365nm） KrF（248nm） ArF（193nm） F2（157nm） EUV（

其中，ArF光刻胶的制造难度是最高的，这也是14nm/7nm芯片制造过程中不可或缺的原材料。

芯片的工艺也分等级，平板电脑、 汽车 芯片等工艺水平并不高，这各等级的芯片中国已经实现了从光刻机到芯片的完全自主化生产。真正困难的在于7nm的芯片，也就是华为遭到断供的手机芯片。

这种工艺的手机芯片，不仅需要荷兰ASML先进的EVU光刻机来生产，更需要高端的光刻胶作为辅助材料，以及大量的芯片原材料，才能成功生产出华为手机所需要的芯片。

光刻机被美国和荷兰的公司垄断，现在EVU光刻机对中国处于断供状态，中芯国际花了12亿购买的EVU光刻机至今仍未到货；

芯片原材料，虽然国内已有部分原材料实现自主生产，但是硅片、光掩模、电子特气、抛光材料、溅射靶材、光刻胶以及湿电子化学品这其中原材料完全依赖进口。

在全球光刻胶市场，日本东京应化，JSR，住友化学，信越化学等企业，掌握了全球半导体光刻胶市场的90%左右份额，几乎是垄断的状态。

方正证券的报告显示，中国大陆企业在全球光刻胶领域占有率不到13%，在半导体光刻胶领域更是不足5%，完全被日本卡了脖子！

但是，进入2021年以后，中国半导体行业国产化的趋势越来越强！

首先是光刻机领域，上海微电子已经实现28nm光刻机的量产，预计2022年可以交付，这款光刻机的性能与荷兰ASML的DVU光刻机相似，可以生产14nm制程工艺的芯片。

另外，美国虽然断供了最先进的EVU光刻机，但是制程工艺相对较低的DVU光刻机却没有断供，而荷兰ASML也明确表态过，EVU光刻机也可以用于7nm工艺芯片，英特尔的10nm工艺、台积电第一个7nm芯片，都是用DVU光刻机实现。

这意味着，2022年，现有的光刻机技术或许能够提前量产华为所需的7nm芯片，打破美国封锁。

而生产7nm工艺芯片所需要的ArF光刻胶，在7月2日就已经有国外企业向南大光电订购了，这意味着半导体光刻胶原材料也实现了自主化。

另外，南大光电，容大感光、上海新阳等国内企业，也在持续研发高端光刻胶，争取在现有技术上进一步突破，追上日本的光刻胶技术。

剩下的6种完全依赖进口的原材料，国内的企业肯定也已经发现了商机，正在朝着国产化转变；最关键的两项技术突破后，中国实现手机芯片国产化的日子也就不远了。

空谈误国、实干兴邦，中国的半导体行业，正在默默地奋力追赶，一如这次南大光电突然给市场来个惊喜一样，未来还将会看到更多的一鸣惊人的突破。

中国半导体，正在以惊人的速度崛起！

作者 | 金莱

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