王欣然教授，2004年本科畢業(yè)于南京大學(xué)，2010年獲美國(guó)斯坦福大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，2010-2011年期間在美國(guó)斯坦福大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)香檳分校做博士后研究員?，F(xiàn)為南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士生導(dǎo)師。2011年入選國(guó)家首批“青年計(jì)劃”；2013年獲國(guó)家杰出青年基金資助；2014年獲江蘇青年五四獎(jiǎng)?wù)隆?/span>
近年主要開展二維（2D）材料與信息器件的研究。主持承擔(dān)了973、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中港合作項(xiàng)目等。在Science、Nature、Nature子刊發(fā)表論文10余篇，引用超過7500次。研究方向：（1）2D材料的可控制備與表征；（2）微納電子與光電器件；（3）柔性電子學(xué)。
課題組主頁(yè)：http://ese.nju.edu.cn/wang_lab。
最近，該課題組與其他團(tuán)隊(duì)合作分別在2021年9月2日和9月9日，于Nature Nanotechnology（IF=39.213）發(fā)表了最新成果。下面對(duì)這兩篇成果進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
1. 南大&東南：最高值！晶圓級(jí)MoS2半導(dǎo)體單晶
二維（2D）半導(dǎo)體，特別是過渡金屬二鹵化物（TMDCs），在將摩爾定律擴(kuò)展到硅（Si）之外的領(lǐng)域而受到了極大的關(guān)注。藍(lán)寶石（晶狀α-Al2O3）在III-V半導(dǎo)體工業(yè)中被廣泛用作外延基底，但是尚未很好的證明在可擴(kuò)展且與工業(yè)兼容的基底上生長(zhǎng)晶圓級(jí)TMDCs單晶。近日，南京大學(xué)王欣然教授和東南大學(xué)王金蘭教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了在C面藍(lán)寶石上外延生長(zhǎng)制備了2英寸（~50 mm）的單層二硫化鉬（MoS2）半導(dǎo)體單晶。作者設(shè)計(jì)了朝向藍(lán)寶石A軸（C/A）的錯(cuò)切取向，其中A軸垂直于標(biāo)準(zhǔn)基板。雖然錯(cuò)切取向的變化不會(huì)影響外延關(guān)系，但是由此產(chǎn)生的階梯邊緣打破了反平行MoS2疇的成核能簡(jiǎn)并性，并且導(dǎo)致超過99%的單向排列，從而解決了市場(chǎng)上C面藍(lán)寶石基底外延生長(zhǎng)TMDCs單晶存在的問題。
通過顯微鏡、光譜和電學(xué)測(cè)量均表明，所制備的晶圓級(jí)MoS2單晶具有極佳的均勻性。作者進(jìn)一步制造了場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FETs），獲得了102.6 cm2 V-1 s-1的遷移率和450 μA μm-1的飽和電流，是目前單層MoS2中的最高值。通過對(duì)160個(gè)厘米級(jí)FETs統(tǒng)計(jì)分析表明，器件成品率超過94%、遷移率變化為15%，進(jìn)一步證明了在C/A藍(lán)寶石上成功制備了晶圓級(jí)MoSe2單晶。該研究中的方法提供了一種通用且可擴(kuò)展的途徑來生產(chǎn)面向未來電子產(chǎn)品的TMDCs單晶。
圖1. 藍(lán)寶石（0001）基底與外延生長(zhǎng)的關(guān)系
圖2. C/A藍(lán)寶石（0001）基底上MoS2疇的單向排列
總之，作者在C面藍(lán)寶石上通過外延生長(zhǎng)法制備了圓晶級(jí)MoS2半導(dǎo)體單晶。同時(shí)，作者進(jìn)一步制造了場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FETs），其具有102.6 cm2 V-1 s-1的遷移率和450 μA μm-1的飽和電流，是目前單層MoS2中的最高值。通過對(duì)160個(gè)厘米級(jí)FETs的統(tǒng)計(jì)分析表明，器件成品率超過94%、遷移率變化為15%。此外，該方法不僅可以推廣到其它許多2D材料而且由于使用了廣泛應(yīng)用的低成本C面藍(lán)寶石，可以很容易的擴(kuò)展到8英寸，并且與工業(yè)技術(shù)具有良好的兼容性。
Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire. Nature Nanotechnology, 2021, DOI: 10.1038/s41565-021-00963-8.
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00963-8.
2. 南大&廈大：原子薄型晶體管矩陣驅(qū)動(dòng)的3D單片微型LED顯示器
二維（2D）材料由于在原子極限和低溫異質(zhì)集成下的器件性能極其優(yōu)異，是未來電子產(chǎn)品的有希望的候選材料。為了將這些新興材料應(yīng)用到計(jì)算和光電系統(tǒng)中，需要與主流技術(shù)進(jìn)行后端（BEOL）集成。近日，南京大學(xué)王欣然教授、施毅教授和劉斌教授、廈門大學(xué)Rong Zhang（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種通過BEOL工藝將大面積MoS2薄膜晶體管（TFTs）與氮化物微發(fā)光二極管（LED）集成，并展示了高分辨率顯示器。MoS2晶體管的平均遷移率為54 cm2 V-1 s-1，驅(qū)動(dòng)電流為210 μA-1 μm-1，具有良好的均勻性。
TFTs可以在低電壓下驅(qū)動(dòng)微米大小的LED達(dá)到7.1×107 cd m-2的亮度。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)能力、響應(yīng)時(shí)間、功耗和調(diào)制方案的綜合分析表明，MoS2 TFTs適用于高分辨率和亮度限制下的一系列顯示應(yīng)用。作者進(jìn)一步演示了傳統(tǒng)的32×32有源矩陣顯示器，分辨率為每英寸1270像素。此外，該工藝是完全單片的、低溫的、可擴(kuò)展的，并且可與微電子工藝兼容。
圖3. MoS2 TFTs驅(qū)動(dòng)的單個(gè)微型LED性能
總之，作者報(bào)道了由原子薄MoS2 TFsT驅(qū)動(dòng)的全3D單片1270-PPI AM微型LED顯示器。通過低溫超清潔工藝對(duì)MoS2進(jìn)行了BEOL集成，并且顯示出優(yōu)異的電氣性能和均勻性。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)能力、亮度、響應(yīng)時(shí)間、功耗和調(diào)制方案的綜合分析表明，MoS2 TFTs適用于一系列高分辨率和亮度限制的微型LED顯示應(yīng)用。此外，作者設(shè)想新型透明和可穿戴顯示器將由原子薄半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)，用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和人-機(jī)界面。作者相信異質(zhì)BEOL集成和成熟的半導(dǎo)體技術(shù)將在不久的將來迅速推進(jìn)2D材料技術(shù)。
Three-dimensional monolithic micro-LED display driven by atomically thin transistor matrix. Nature Nanotechnology, 2021, DOI: 10.1038/s41565-021-00966-5.
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00966-5.
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