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獨家!我國在二維半導體領域取得重大突破

日期:2021/9/17 10:47:47
摘要:近期,南京大學電子科學與工程學院王欣然教授課題組,同天馬微電子股份有限公司等單位合作,研究突破了二維半導體單晶制備和異質集成關鍵技術,為未來Micro-LED顯示技術發展提供了全新技術路線。同時,二維半導體從水平和垂直兩個維度,為延續摩爾定律提供了可能的技術方向,

近期,南京大學電子科學與工程學院王欣然教授課題組,同天馬微電子股份有限公司等單位合作,研究突破了二維半導體單晶制備和異質集成關鍵技術,為未來Micro-LED顯示技術發展提供了全新技術路線。同時,二維半導體從水平和垂直兩個維度,為延續摩爾定律提供了可能的技術方向,對推動半導體產業發展具有重要意義。

從水平和垂直兩個維度延續摩爾定律

此前,臺積電在1nm技術中實現關鍵突破,引來了業內的廣泛關注。據了解,此次關鍵技術突破,在于利用半金屬鉍(Bi)作為二維材料的接觸電極,可大幅降低電阻并提高電流,使其效能幾與硅一致,有助實現未來半導體1nm的挑戰。這也使得二維半導體技術再次映入了人們的眼簾。在突破1nm技術上,二維半導體技術也得到了晶圓代工巨頭臺積電的認可。如今,二維半導體技術被視為延續摩爾定律的重要技術之一。

南京大學電子科學與工程學院教授王欣然向《中國電子報》記者介紹,未來二維半導體可能會從水平和垂直兩個維度延續摩爾定律,這主要是得益于二維半導體的薄以及可垂直堆疊的特征。

王欣然介紹,首先,單層二維半導體最為顯著的特點便是薄,最低可以薄至一個原子的厚度,這也是自然界中的厚度極限。這種薄帶來的最大優勢便是在更先進的技術節點下,比如1nm芯片中,二維半導體芯片并不會出現諸如硅基芯片那樣的功耗問題,進而在硅基半導體達到物理極限之后,二維半導體技術還能保證集成電路技術繼續按照摩爾先生的預測維持成本、提升性能。

其次,二維半導體另一個顯著特點是可以垂直堆疊,堆疊的好處是在同樣的面積下,盡管器件尺寸已不能再縮減,但可以利用垂直空間做更多器件,同樣可以實現集成度和性能提升,這也是延續摩爾定律的一個思路。“其實傳統的半導體也可以堆疊,但是這些材料的制備需要經過高溫,往往上層的高溫工藝會毀掉下層,而二維半導體的堆疊是在低溫下實現的,上一層器件的制備并不會損傷下層做好電路。”王欣然向《中國電子報》記者表示。

可能給顯示領域帶來顛覆性突破

天馬微電子股份有限公司創新中心副總經理秦鋒認為,此次南京大學在二維半導體關鍵技術上的突破,給了顯示行業一把打開新型領域大門的鑰匙。他認為,在此次研究中,二維半導體薄膜晶體管突破了傳統半導體驅動電路的性能瓶頸,使得Micro-LED顯示器能夠同時兼具高分辨率、高亮度、高響應速度的特點,可滿足超高分辨率下微顯示的需求。

“我們注意到二維半導體具有極高的柔性與透明度,這可能將給未來顯示帶來顛覆性的產品,例如,現在的曲面屏僅僅能實現局部的彎曲,如果使用二維半導體驅動,也許未來我們能像折紙一樣將屏幕折疊起來。此外,此項研究還突破了新的二維半導體3D集成技術,這項技術相較于Micro-LED如今的主流技術而言,有可能帶來成本的大幅度下降,對于Micro-LED向消費級市場推廣意義深遠。” 秦鋒對《中國電子報》記者說。

復旦大學微電子學院副院長周鵬向《中國電子報》記者介紹,此次南京大學團隊在技術上的突破,主要在于通過改變藍寶石表面原子臺階的方向,人工構筑了 “原子梯田”成核位點,首次實現了2英寸二維單晶薄膜的外延生長,基于該外延材料制備的晶體管成為國際上報道的最高綜合性能之一。該技術具有良好的普適性,為二維半導體在集成電路領域的應用奠定了基礎。

據了解,大面積單晶材料的突破,為二維半導體走向應用提供了機會,南京大學團隊基于第三代半導體研究的多年積累,結合最新的二維半導體單晶方案,提出了基于MoS2薄膜晶體管驅動電路、單片集成的超高分辨Micro-LED顯示技術方案。

“從硅基芯片的發展我們便已知道,單晶生長是半導體集成電路最基本的要求,而二維半導體單晶的生長是困擾產學研界很久的難題。因此,我們從底層、微觀的單晶成核生長機制入手進行研究,對單晶生長理論進行了突破,在實驗室層面上進行了驗證的同時,也為單晶材料制備指明了發展方向,為未來走向應用鋪平了道路。而二維半導體技術在顯示的應用,則展示了二維半導體在后端集成、3D集成兩個備受關注的方向的巨大潛力,同時也是因為儲備了單晶生長這一方向的關鍵技術。”王欣然向《中國電子報》記者說道。

不在于取代硅而是成為硅技術的補充

盡管二維半導體技術正在如火如荼地發展,但是在技術方面依舊存在著諸多瓶頸有待突破,距離二維半導體的產業化應用仍待時日。

據王欣然介紹,得益于全世界研究人員的勤奮努力,二維半導體僅用了十年便取得了飛躍式的發展,無論是材料、器件,還是集成電路本身,均起到了推動發展的作用。但是,挑戰也同樣存在于各個層面,例如,從材料角度而言,南京大學這次實現了2英寸單晶的生長,為更大尺寸單晶指明了方向,但目前硅單晶晶圓已經做到了12英寸甚至更大,二維半導體在這方面仍相距甚遠。

此外,器件尺寸距離預期的1nm節點所需要的性能、均一性、可靠性仍存在巨大差距,器件模型、結構、工藝也沒有形成確定方案。二維材料集成電路設計、架構設計以及原型芯片演示依舊停留在較為初期的階段。

“畢竟硅基半導體目前還是在技術金字塔頂端,并且在未來3—5年內硅基半導體通過材料、結構、架構優化依舊有較大的提升空間,因此目前硅基依舊占據著性能、功耗、尺寸等全方位優勢,這也降低了產業界的迫切性。同時,硅基的極限也已經被產業界普遍認可,這也是最近一兩年包括Intel、臺積電等業界巨頭紛紛開始二維半導體研究的重要原因。”王欣然向《中國電子報》記者表示。

此外,周鵬認為,二維半導體的機遇并不在于取代硅,而是在于成為硅技術的補充。“長期以來,當下的硅基微電子工藝已經有了的巨大投入和長時間的發展,才走向了成熟,而二維半導體所需要諸多的非常規工藝,在可預見的未來,二維半導體不可能完全取代硅,而二維半導體的機會應該在于作為硅技術的補充技術,用于緩解硅基器件面臨的挑戰。”周鵬告訴《中國電子報》記者說。

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