南京大学王欣然教授课题组:在二维半导体领域取得关键突破

时间:2021-09-17作者:佚名

二维半导体材料,以过渡金属硫族化合物(TMDC)为代表,具有极限厚度、高迁移率和后端异质集成等特点,有望延续摩尔定律并实现三维架构的集成电路,因此受到了学术界和工业界的关注。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。

脚踏实地

构筑“原子梯田”

突破二维半导体单晶外延

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。

南京大学王欣然教授课题组:在二维半导体领域取得关键突破


仰望星空

二维半导体为未来显示技术带来光明

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