中科院研製大面積柔性透明電子器件，未來隱形眼鏡可內嵌顯示屏

「未來的手機可以是柔性的，高清柔性顯示屏可讓手機像報紙一樣捲起來。」 松山湖材料實驗室副主任、研究員張廣宇談及該團隊的最新研究時，向 DeepTech 展望了未來手機的發展趨勢。

9 月 21 日，該團隊的論文《基於單層二硫化鉬場效應電晶體的大面積柔性透明電子器件》（Large-scale flexible and transparent electronics based on monolayer molybdenum disulfide field-effect transistors）發表在電子學期刊 Natureelectronics 上。松山湖材料實驗室的學術背景雄厚，是由中國科學院物理研究所牽頭，東莞市政府、中科院物理所和高能物理研究所共建。

實驗利用外延生長得到的四英寸高質量、高定向單層二硫化鉬薄膜，結合傳統的微加工工藝，通過優化絕緣層與接觸電阻，製備出了大面積柔性透明的二硫化鉬場效應電晶體及各種邏輯器件。

這些器件表現出了優異的特性：電晶體器件密度可達 1518 個 / 平方釐米，成品率高達 97%，是目前已報導結果中最高指標；單個器件也表現出較好的電學性能和柔韌性。

該工作由中科院物理所與松山湖材料實驗室聯合完成，並得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院 B 類先導專項、中科院青促會等項目的資助。

圖 | 項目研製出大面積柔性二硫化鉬電晶體以及邏輯器件

二硫化鉬可彌補矽的不足

本次研究主要用到的材料是二維半導體材料 —— 單層二硫化鉬（MoS2）。目前，在半導體器件發展微型化和柔性化的驅動下，以二硫化鉬等為代表的二維半導體材料表現出了獨特的優勢，其不僅具有優異的光、電、機械性能，且具有超薄透明的物理特性，最薄可以做到只有一個原子層厚度，非常適用於製備更輕、更薄、更快、更靈敏的電子學器件。

2015 年，國際半導體聯盟在技術路線圖（ITRS）中指出，二維半導體是下一代半導體器件的關鍵材料。

然而，當前以器件應用為背景的單層二硫化鉬研究，仍面臨兩大問題：

1、在材料製備上，難以獲得高質量大尺度二硫化鉬晶圓；

2、在器件工藝上，難以實現高密度、高性能、大面積均一的器件加工。這也是新型半導體材料從實驗室走向市場要克服的共性問題。

如果上述問題得到解決，二硫化鉬在柔性電子產業中的應用也將更快。

目前，單層二硫化鉬晶圓面臨著晶粒尺寸較小、取向隨機等問題，大量晶界（Grain Boundary，結構相同而取向不同晶粒之間的界面）的存在導致材料的電學質量較差。並且，晶界的不均勻分布會導致器件均勻性很差，所以無法集成高端電子器件。

為解決上述難題，張廣宇團隊利用自主設計搭建的多源化學氣相沉積系統，採用立式生長和多點形核的方法，在藍寶石襯底上外延製備出了四英寸高質量連續單層二硫化鉬晶圓。

由於是外延生長，首先需要一個單晶襯底。在常規半導體領域，使用單晶藍寶石襯底外延砷化鎵和氮化鎵時，外延材料要根據襯底晶格來增加適配的緩衝層，由此來減小材料與襯底之間的晶格失配度。

但是，二硫化鉬等二維材料表面沒有懸鍵，和襯底表面的相互作用比較弱，對晶格匹配度要求不高，屬於範德瓦爾斯外延，因此能在四英寸藍寶石襯底上直接實現單層二硫化鉬的外延生長。

所外延的高質量薄膜由高定向（0° 和 60°）大晶粒拼接而成，薄膜中只存在孿晶界，利用高分辨透射電子顯微鏡觀測到了近乎完美的 4|4E 型晶界，且平均晶粒尺寸大於 100 μm，大幅提升了晶圓的晶體質量，該工作發表在近期的 Nano Letters 上。

得益於獨特的多源設計，所製備的晶圓具有顯著的均勻性。談及該多源設計，張廣宇舉了一個形象的例子：就像拿一個噴壺往牆上噴水，第一代設備只有一個噴頭，這時噴的區域比較小；

第二代設備是用三個噴頭一起噴，這樣噴出的面積就能擴大三倍；第三代設備是用六個源一起噴，這種情況下噴出的區域更大，更均勻。

儘管二硫化鉬有這麼多優勢，但是二硫化鉬目前還無法替代矽。張廣宇告訴 DeepTech，在半導體產業中，矽材料已經探索研究了將近七八十年，相關器件發展了五六十年。

矽在材料製備和器件加工等方面都已非常成熟，因此也順理成章成為半導體領域的主流。其他半導體材料某些電子學性能優於矽，但是依然面臨著材料、加工工藝等問題，因此無法替代矽。同理，二硫化鉬也不是要取代矽，而是要彌補矽的不足，發揮材料自身的優勢。

張廣宇表示，矽材料的發展有一定的瓶頸，摩爾定理已撞到天花板，下一步要實現 3 納米以下的器件。但是如果將矽電子器件尺寸縮到十納米以下，其性能就會呈現大幅下降。而二硫化鉬等二維半導體材料非常薄，能解決原理性障礙，因此展示出巨大優勢。

自主設計多源化學氣相沉積設備

本次研究用到的主要設備，是該團隊自主設計的四英寸多源化學氣相沉積系統。張廣宇說，除爐子和配件是採用商業化產品外，其餘都是自行設計搭建的。

團隊在設備方面也進行了專利布局，現已授權東莞市卓聚科技有限公司共同合作推進國產高性能化學氣相沉積設備的產業化。

該設備主要用於 TMDs 材料的外延生長，目前已經造到第三代，不同代際之間的區別，在於可以兼容大樣品的生長。以微波爐為例，原來能放一個碗，變大後可以放十個碗，即把上述設備的系統擴大了。

除上述獨特的生長技術之外。本次成果還得益於三大器件加工工藝：採用兼容的微加工工藝逐層製作器件；採用獨特的物理吸附與化學反應相結合的原子層沉積方法；採用金 / 鈦 / 金多層結構作為接觸電極。

圖 | 二硫化鉬柔性場效應電晶體的性能表徵

談及這三大工藝，張廣宇表示，在器件加工過程中，該團隊採用傳統的微加工工藝，逐層製作器件，實現了器件層與層之間的潔淨和兼容，保證了器件陣列的大面積均一性。這種利用半導體工藝中的標準微加工辦法，有利於快速走向市場。

另一方面是採用物理吸附與化學反應相結合的原子層沉積方法，提高器件絕緣層質量。由於二維材料表面缺少懸鍵，利用傳統的原子層沉積方法（化學吸附）無法將高介電絕緣材料（氧化鋁或氧化鉿等）沉積在二維材料或者金表面。

改進的原子層沉積方法首先是利用過量的源脈衝，使其物理吸附在材料表面，之後利用多個脈衝的水將源逐層氧化為氧化鋁或氧化鉿，實現絕緣層在金底電極以及二維材料上的高緻密度直接沉積，因此保障了器件絕緣柵的高質量。

在接觸電極的優化上，該團隊採用三層金 / 鈦 / 金結構，在結構中間加一層鈦，這樣既降低了接觸電阻，也解決了機械性能問題，電極因此變得非常穩定。據張廣宇介紹，無論在柔性器件上面怎麼 「折騰」，電極都不會脫落。

圖 | 基於二硫化鉬的柔性邏輯器件

圖 | 柔性器件在應力下的電學性能

達到國際最高電子學質量

提及本次研究達到 「國際最高電子學質量二硫化鉬」，張廣宇告訴 DeepTech，在材料結構的關鍵指標上，如晶粒大小、取向、晶界密度，目前國際上尚無其他方法可以出其右。

該團隊製備出的大面積柔性二硫化鉬電子器件具有高密度、高產率以及高性能。值得注意的是器件暗電流非常小（百飛安以下），因此可用於製備低功耗器件。

舉例來說，即使電腦處於待機狀態，其 CPU 看起來不運作但它也在耗電，本身也有暗電流。因此，當器件的暗電流非常小時，就可以降低靜態功耗。

該團隊在二硫化鉬的器件研究目前主要集中在三個方向：低功耗器件、高性能器件和柔性器件。據悉，當前部分半導體器件的性能已達到極限，這是材料本身特點決定的。

現階段，該團隊最關注的是柔性器件，這類器件不需達到性能極致或超低功耗，只需一定的柔韌性，在彎、揉、拉、壓等情況下，其性能不會有太大變化。

張廣宇表示，本次研究可推動二維半導體材料在柔性顯示屏以及智能可穿戴設備方面的應用。短期內，該團隊集中攻關的產品是柔性顯示屏。

張廣宇認為，在未來 10-20 年，柔性可穿戴設備具有很大的市場前景。以隱形眼鏡為例，未來的隱形眼鏡或將是集成一個屏幕和控制面板的柔性器件，同時，這種隱形眼鏡也更加智能化，可以用來瀏覽信息。

目前，國際上有不少團隊一直在進行二硫化鉬晶圓和器件方面的研究，但是其晶圓質量與該團隊的水平相比尚有差距。據張廣宇介紹，本次論文發表後，很多國內外同行都認為我們團隊的材料是 「世界上最好的二硫化鉬」，紛紛來尋求樣品合作。

之所以目前還局限於實驗室階段，是因為該產品還處於一個試驗時期，距離真正進入產業界，還需要相當長的過程。目前，韓國三星、中國臺灣某晶片廠商，也都在推進相關方向的研究，未來在科研界和產業界的集體攻關下，應該會取得突破性的進展。

張廣宇團隊的中長期規劃，是做柔性顯示，遠期計劃是做高端邏輯器件。不久的將來，或許中國用戶將最先用上包含該團隊技術的產品。