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。

国内已经开始了相关方面的教育工作，也会即将成立一所相关的大学。

我国的芯片不单单是制造方面，还有许多设计，封装等环节与世界上的先进水平相比还有一定的差距，总而来说还是任重道远的。当然国家也是采取了各种各样的措施，比如帮扶扶持各类半导企业，在南京也将成立一所南京集成电路大学，开始培养这个行业的专业人才，弥补这方面的不足。同时国家也在我国的各大名牌高校设立相关的培训基地。

我国的优秀民族企业华为公司也是积极开展校企合作，培养相关专业人才，让学校了解社会所需要，同时也让学生有充足的平台，施展自己能力等。

在培养这些人才之前我们首先要明白我们缺少的是什么，基础的制造环节是现在我们面临的巨大问题，我们能够使用的设备和材料也是被一些大国所垄断，这就是我们考虑的问题，基础的不足，我们开展这方面的教育，培养一批能够制造的技术人才，同时开展一些制造业培训，提高我们的制造水平，解决设备和材料的问题。

这些东西说起来是非常简单的，但是真正走起来确实有很长的道路要走，所以我们也要静下心来，走好每一步。

先是培养基础学科方面的人才，然而提高培养的层次，再紧接着逐渐培养综合性人才，百年大计教育为本，这个过程可能是很漫长的，但是一定是最扎实的。

所以现在我们已经明确了我们的发展目标，知道了我们的发展所向，开展相关方面的基础教育，这就是最好的培养方案，相信在国家的大力教育之下，我们的半导体行业也一定会发展迅猛，逐渐满足我国发展方面的需求。

就业前景还是可以的。

南京工业大学先进材料研究院半导体方向毕业，就业前景还是可以的。如果是本科毕业生，可在多晶硅，半导体，电子类公司，物理，材料类等行业就业。如果是研究生毕业，可在材料研度究所或高校就业。

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