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中科院研制大面积柔性透明电子器件,未来隐形眼镜可内嵌显示屏

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  “未来的手机可以是柔性的,高清柔性显示屏可让手机像报纸一样卷起来。” 松山湖材料实验室副主任、研究员张广宇谈及该团队的最新研究时,向 DeepTech 展望了未来手机的发展趋势。

  9 月 21 日,该团队的论文《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》(Large-scale flexible and transparent electronics based on monolayer molybdenum disulfide field-effect transistors)发表在电子学期刊 Natureelectronics 上。松山湖材料实验室的学术背景雄厚,是由中国科学院物理研究所牵头,东莞市政府、中科院物理所和高能物理研究所共建。

  实验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。

  这些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;单个器件也表现出较好的电学性能和柔韧性。

  该工作由中科院物理所与松山湖材料实验室联合完成,并得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院 B 类先导专项、中科院青促会等项目的资助。

  

  图 | 项目研制出大面积柔性二硫化钼晶体管以及逻辑器件

  二硫化钼可弥补硅的不足

  本次研究主要用到的材料是二维半导体材料 —— 单层二硫化钼(MoS2)。目前,在半导体器件发展微型化和柔性化的驱动下,以二硫化钼等为代表的二维半导体材料表现出了独特的优势,其不仅具有优异的光、电、机械性能,且具有超薄透明的物理特性,最薄可以做到只有一个原子层厚度,非常适用于制备更轻、更薄、更快、更灵敏的电子学器件。

  2015 年,国际半导体联盟在技术路线图(ITRS)中指出,二维半导体是下一代半导体器件的关键材料。

  然而,当前以器件应用为背景的单层二硫化钼研究,仍面临两大问题:

  1、在材料制备上,难以获得高质量大尺度二硫化钼晶圆;

  2、在器件工艺上,难以实现高密度、高性能、大面积均一的器件加工。这也是新型半导体材料从实验室走向市场要克服的共性问题。

  如果上述问题得到解决,二硫化钼在柔性电子产业中的应用也将更快。

  目前,单层二硫化钼晶圆面临着晶粒尺寸较小、取向随机等问题,大量晶界(Grain Boundary,结构相同而取向不同晶粒之间的界面)的存在导致材料的电学质量较差。并且,晶界的不均匀分布会导致器件均匀性很差,所以无法集成高端电子器件。

  为解决上述难题,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单层二硫化钼晶圆。

  由于是外延生长,首先需要一个单晶衬底。在常规半导体领域,使用单晶蓝宝石衬底外延砷化镓和氮化镓时,外延材料要根据衬底晶格来增加适配的缓冲层,由此来减小材料与衬底之间的晶格失配度。

  但是,二硫化钼等二维材料表面没有悬键,和衬底表面的相互作用比较弱,对晶格匹配度要求不高,属于范德瓦尔斯外延,因此能在四英寸蓝宝石衬底上直接实现单层二硫化钼的外延生长。

  所外延的高质量薄膜由高定向(0° 和 60°)大晶粒拼接而成,薄膜中只存在孪晶界,利用高分辨透射电子显微镜观测到了近乎完美的 4|4E 型晶界,且平均晶粒尺寸大于 100 μm,大幅提升了晶圆的晶体质量,该工作发表在近期的 Nano Letters 上。

  得益于独特的多源设计,所制备的晶圆具有显著的均匀性。谈及该多源设计,张广宇举了一个形象的例子: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。

  尽管二硫化钼有这么多优势,但是二硫化钼目前还无法替代硅。张广宇告诉 DeepTech,在半导体产业中,硅材料已经探索研究了将近七八十年,相关器件发展了五六十年。

  硅在材料制备和器件加工等方面都已非常成熟,因此也顺理成章成为半导体领域的主流。其他半导体材料某些电子学性能优于硅,但是依然面临着材料、加工工艺等问题,因此无法替代硅。同理,二硫化钼也不是要取代硅,而是要弥补硅的不足,发挥材料自身的优势。

  张广宇表示,硅材料的发展有一定的瓶颈,摩尔定理已撞到天花板,下一步要实现 3 纳米以下的器件。但是如果将硅电子器件尺寸缩到十纳米以下,其性能就会呈现大幅下降。而二硫化钼等二维半导体材料非常薄,能解决原理性障碍,因此展示出巨大优势。

  自主设计多源化学气相沉积设备

  本次研究用到的主要设备,是该团队自主设计的四英寸多源化学气相沉积系统。张广宇说,除炉子和配件是采用商业化产品外,其余都是自行设计搭建的。

  团队在设备方面也进行了专利布局,现已授权东莞市卓聚科技有限公司共同合作推进国产高性能化学气相沉积设备的产业化。

  该设备主要用于 TMDs 材料的外延生长,目前已经造到第三代,不同代际之间的区别,在于可以兼容大样品的生长。以微波炉为例,原来能放一个碗,变大后可以放十个碗,即把上述设备的系统扩大了。

  除上述独特的生长技术之外。本次成果还得益于三大器件加工工艺:采用兼容的微加工工艺逐层制作器件;采用独特的物理吸附与化学反应相结合的原子层沉积方法;采用金 / 钛 / 金多层结构作为接触电极。

  

  图 | 二硫化钼柔性场效应晶体管的性能表征

  谈及这三大工艺,张广宇表示,在器件加工过程中,该团队采用传统的微加工工艺,逐层制作器件,实现了器件层与层之间的洁净和兼容,保证了器件阵列的大面积均一性。这种利用半导体工艺中的标准微加工办法,有利于快速走向市场。

  另一方面是采用物理吸附与化学反应相结合的原子层沉积方法,提高器件绝缘层质量。由于二维材料表面缺少悬键,利用传统的原子层沉积方法(化学吸附)无法将高介电绝缘材料(氧化铝或氧化铪等)沉积在二维材料或者金表面。

  改进的原子层沉积方法首先是利用过量的源脉冲,使其物理吸附在材料表面,之后利用多个脉冲的水将源逐层氧化为氧化铝或氧化铪,实现绝缘层在金底电极以及二维材料上的高致密度直接沉积,因此保障了器件绝缘栅的高质量。

  在接触电极的优化上,该团队采用三层金 / 钛 / 金结构,在结构中间加一层钛,这样既降低了接触电阻,也解决了机械性能问题,电极因此变得非常稳定。据张广宇介绍,无论在柔性器件上面怎么 “折腾”,电极都不会脱落。

  

  图 | 基于二硫化钼的柔性逻辑器件

  

  图 | 柔性器件在应力下的电学性能

  达到国际最高电子学质量

  提及本次研究达到 “国际最高电子学质量二硫化钼”,张广宇告诉 DeepTech,在材料结构的关键指标上,如晶粒大小、取向、晶界密度,目前国际上尚无其他方法可以出其右。

  该团队制备出的大面积柔性二硫化钼电子器件具有高密度、高产率以及高性能。值得注意的是器件暗电流非常小(百飞安以下),因此可用于制备低功耗器件。

  举例来说,即使电脑处于待机状态,其 CPU 看起来不运作但它也在耗电,本身也有暗电流。因此,当器件的暗电流非常小时,就可以降低静态功耗。

  该团队在二硫化钼的器件研究目前主要集中在三个方向:低功耗器件、高性能器件和柔性器件。据悉,当前部分半导体器件的性能已达到极限,这是材料本身特点决定的。

  现阶段,该团队最关注的是柔性器件,这类器件不需达到性能极致或超低功耗,只需一定的柔韧性,在弯、揉、拉、压等情况下,其性能不会有太大变化。

  张广宇表示,本次研究可推动二维半导体材料在柔性显示屏以及智能可穿戴设备方面的应用。短期内,该团队集中攻关的产品是柔性显示屏。

  张广宇认为,在未来 10-20 年,柔性可穿戴设备具有很大的市场前景。以隐形眼镜为例,未来的隐形眼镜或将是集成一个屏幕和控制面板的柔性器件,同时,这种隐形眼镜也更加智能化,可以用来浏览信息。

  目前,国际上有不少团队一直在进行二硫化钼晶圆和器件方面的研究,但是其晶圆质量与该团队的水平相比尚有差距。据张广宇介绍,本次论文发表后,很多国内外同行都认为我们团队的材料是 “世界上最好的二硫化钼”,纷纷来寻求样品合作。

  之所以目前还局限于实验室阶段,是因为该产品还处于一个试验时期,距离真正进入产业界,还需要相当长的过程。目前,韩国三星、中国台湾某芯片厂商,也都在推进相关方向的研究,未来在科研界和产业界的集体攻关下,应该会取得突破性的进展。

  张广宇团队的中长期规划,是做柔性显示,远期计划是做高端逻辑器件。不久的将来,或许中国用户将最先用上包含该团队技术的产品。

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