他，32岁获国家杰青资助，33岁入选长江学者，两次登上新闻联播，如今探索数百亿元micro-LED半导体产业关键难题！

纳米人

2021-11-02

第一作者：Wanqing Meng, Feifan Xu, Zhihao Yu, Tao Tao

通讯作者：王欣然，施毅，张荣，刘斌

通讯单位：南京大学

研究背景

自上世纪90年代以来，氮化物半导体发光二极管（LED）使得固态照明发生了革命性变化，如今已发展成为价值数十亿美元的产业。近年来，小型化LED器件（micro-LED）的发展使得许多新的应用成为可能，例如用于增强和虚拟现实（AR/VR）的高分辨率自发射显示器、可见光通信和生物医学探针等。它们可以提供超过10⁷cd m^-2的极端亮度，纳秒级的响应时间，高效率（~60 %），宽的工作温度窗口，使得micro-LED成为最终的显示技术。为了满足未来对人机界面的需求，每个像素都需要有微电子的尺寸和不透光的亮度。这就需要高性能薄膜晶体管（TFT）背板的整体三维集成，超越现有基于非晶硅和铟镓氧化锌（IGZO）的TFT技术的驱动能力。

二维（2D）半导体，如过渡金属二硫属化物（TMDs），作为异质组分具有几个显著的特征。首先作为晶体材料，其迁移率大于100 cm² V⁻¹ s⁻¹，远高于非晶TFT材料。因此，可以在低电压下驱动micro-LEDs，降低背板的功耗。第二，大量TMDs可以通过化学气相沉积（CVD）实现晶圆级合成。目前，实验室可以批量生产4英寸的MoS₂薄膜，而生产更大尺寸的MoS₂薄膜也没有任何科学障碍。第三，作为范德华材料，它们可以在室温和非真空条件下转移到任意基底上。这有利于与主流半导体技术的后道工序（BEOL）集成。第四，得益于原子薄特性，它们具有极佳的柔性和光学透明度。这些特性使得TMDs在先进显示应用中具有良好的应用前景。

成果简介

近日，南京大学王欣然教授，施毅教授，张荣教授（现任厦门大学校长），刘斌教授等人报道了大面积MoS₂薄膜晶体管（TFTs）与GaN基微发光二极管（LEDs）通过BEOL过程的集成，并展示了其高分辨率的显示。MoS₂晶体管具有54 cm² V⁻¹ s⁻¹的迁移率,210 μA μm⁻¹的驱动电流和出色的均匀性。此外，该器件可在低电压下驱动微米级LEDs，亮度可达7.1×10⁷ cd m^-2。驱动能力、响应时间、功耗和调制方式的综合分析结果表明，MoS₂ TFT适合于高分辨率和高亮度极限的显示应用。进一步的，研究人员演示了一种32×32有源矩阵（AM）显示器，分辨率达到寸1270像素每英寸。这种工艺完全单片化、低温、可扩展，并且可以良好的兼容微电子工艺。

要点1：单片集成MoS₂ TFT与微型LED

AM微型LED显示器的原理图和光学显微图像如图1a,b所示。该堆栈由三层组成，底层是通过金属有机CVD在蓝宝石衬底上生长的标准GaN基LED。采用光刻法和干法蚀刻法制备了圆形台面。对于蓝色和绿色LED，通过控制InGaN/GaN多量子阱中铟的组成来设计发光颜色（图1d）。通过在蓝色LED上沉积颜色转换的CdSe/CdTe量子点来实现红色发射。这种颜色转换方法避免了红色LED的外量子效率（EQE）低和质量传递的问题，是实现全彩色显示的一种更方便的方法。RGB LED的电致发光光谱分别集中在460nm、520nm和635nm，复盖127 %国家电视标准委员会（NTSC）和95 %广播电视（BT）（图1h）。在光刻成圆形象素和顶部接触层沉积在p-GaN上后，添加一层自旋玻璃层（SOG，约1.3 μm厚）作为涂层，作为平面化和电隔离层。接着，在SOG上整体制作出MoS₂ TFT矩阵，并通过垂直通道连接到底层的微型LED。为了减少顶部发射的阻塞，在每个LED像素的侧面设计了TFT和电气布线（图1c）。

MoS₂晶体管驱动微型LED显示器需要同时满足高性能和均匀性。为此，研究人员使用CVD在2英寸蓝宝石晶片上生长高质量的MoS₂单晶薄膜（图1f）。整个晶圆直径的拉曼扫描结果（图1g）显示，E¹_2g和A_1g两种Raman模式之间的距离为19.67±0.47 cm⁻¹，表明MoS₂是具有良好晶圆级均匀性的单分子层。此外， 100 × 100 μm²的区域内的高分辨率的PL映射实验得到的光强、峰位和半最大值全宽的PL映射结果表明，单层MoS₂薄膜具有较高的均匀性。

图1. 单片集成MoS2 TFTs与微LED。

要点2：MoS₂晶体管的制造与性能研究

二维晶体管的性能很大程度上依赖于接触界面和介电界面。传统的聚合物转移、光刻和金属沉积不可避免地会引入污染和缺陷，降低迁移率和均匀性。由于额外的转移步骤，大面积CVD薄膜的情况更糟。为了最大限度地减少外部污染，研究人员开发了一种超净且可扩展的制造工艺（图2a）。简单而言，使用聚(甲基丙烯酸甲酯)/聚二甲基硅氧烷（PMMA/PDMS）标记来拾取预先沉积在Si片上的Au薄膜，并将其叠层到新鲜生长的MoS₂上。在90 °C温和加热后，MoS₂被干分层（无溶剂），转移到带有预先设计的局部背栅和20 nm Al₂O₃栅介质的微LED芯片上。蓝宝石的干分层现象表明Au与MoS₂之间有较强的内在结合，与理论计算结果一致。作为保护层，Au膜被保存在MoS₂上直到最后一步，可防止环境吸收，干蚀刻掩模和电接触。接下来，对不必要的Au/MoS₂进行光刻和蚀刻。需要注意的是，在这一步骤中，通道和接触区域仍然受到Au膜的保护（图2a）。然后，蚀刻通孔并沉积金属互连到微型LED上。在最后一步，使用水基KI溶液在Au薄膜上打开一个缺口，以确定MoS₂通道。在整个过程中，MoS₂在Au层压前只短暂暴露在环境中，没有暴露在任何聚合物或有机溶剂中。因此，无论是MoS₂通道还是Au-MoS₂接触界面都非常干净。此外，为了进一步解决Au的扩散和潜在的与商业铸造厂的结合问题，研究人员建议使用Cu/Au双层，其中Cu作为钝化层，以减少Au的扩散。

研究人员接下来研究了MoS₂晶体管的性能。得到了具有1 μm通道长度（L）和10 μm通道宽度（W）的典型器件的传输和输出特性（图2b,c）。该晶体管表现出n型行为，阈值电压（V_th）为0.2 V，亚阈值斜率（SS）为200 mV dec⁻¹，开/关比大于10⁹，且无迟滞传输特性。通态电流（I_on）达到2.1 mA（或210 μA μm⁻¹），超出了典型微型LED的工作电流几个数量级。因此，MoS₂晶体管可以在非常低的电压下驱动微型LED。通过结合合适的栅极金属和表面改性方案，V_th可以按需设计，以实现性能和静态功耗之间的平衡。研究人员测量了大量的器件，还采用常规工艺制作了控制器件，在转移、刻蚀和源/漏沉积过程中，将MoS₂表面反复暴露于PMMA和有机溶剂中。接着，绘制了每组中200个器件的迁移曲线（图2d）。经过优化后，一批器件的成品率可以达到95%，这表明该过程非常稳定，并且可扩展到自动化制造。更重要的是，超清洁工艺实现了性能和均匀性的显著提升。与控制器件相比，I_on电流和SS的中间值分别提高了475%（从2提高到11.5 μA μm⁻¹）和60%（从775提高到310 mV dec⁻¹)。

优化结果表明，这种工艺是通过保护MoS₂免受外部污染，降低了界面散射中心、陷阱态和非故意掺杂的密度。这些结果也强调了在表面主导的2D材料达到行业要求的性能和变化水平之前，开发非常规制造工艺的必要性。

图2. MoS₂晶体管性能。

要点3：驱动单个微型LED

在单片集成MoS₂ TFT之后，研究人员基于单晶体管-单二极管（1T1D）方案来驱动单个微型LED像素（图3a，其中，V_g表示MoS₂ TFT的栅极电压，V_data表示1T1D的偏置电压）。微型LEDs在正向偏置下表现出标准的二极管行为，其理想因子n=1.45。研究人员获取了1T1D的门可调操作点（LED和TFT的截取点）（图3b）。在TFT的通态下，晶体管上的电压降仅为0.57 V，相当于总功耗的14.3%。从1T1D的电流-电压(I-V)特性（图3c）可以看出，在2.3 V的LED通态电压下，电流受到LED的限制。在通态电压（发光区）以上，通过LED的电流由V_g调制。使用10-μm宽的MoS₂ TFT，研究人员成功地点亮了10-40 μm蓝色和绿色微型LED。在V_dd=V_data=V_g=8V下，MoS₂ TFT在所有情况下都能够提供超过1.4 mA的驱动电流。在此条件下，蓝色和绿色微型LED的亮度分别为1.9×107 cd m⁻²和7.1×107 cd m^-2（图3d）。1T1D的高亮度可以支持多种类型的显示应用，包括AR/VR眼镜、日光下的车辆显示，甚至可见光通信。研究人员通过施加V_data和V_g的同步脉冲来测量1T1D的响应时间。结果显示，1T1D在250 khz电压脉冲下可以稳定运行（图3e）。电压升降时间（10-90%）为330 ns，受设备限制。这表明单个像素可以潜在地工作在2.4 MHz，比最先进显示器的刷新速率（~100Hz）快4个数量级，此外，MoS₂ TFT降低了微LED瞬态响应中的电流尖峰，可进一步增加稳定性和寿命。同时，1T1D结构表现出优异的运行稳定性，在持续偏压下3 h，电流和亮度几乎没有退化。研究人员通过脉冲幅度调制（PAM）和脉冲宽度调制（PWM）两种方案对1T1D的亮度进行调制。结果显示，PAM和PWM都可靠地实现了12级亮度调整。MoS₂晶体管的大开/关比（109）和带宽（2.4 MHz）可以微调亮度以满足高动态范围显示的要求。接下来，基于1T1D的性能，研究人员评估了MoS₂ TFT技术在各种显示应用中的性能（图3g）。

图3. 用MoS₂ TFT驱动单个微LED。

要点4：高分辨率AM显示器

为了证明异构集成可以在系统层面工作，研究人员制造了完整的单片AM显示器。显示器有1024个(32×32)像素，间距20 μm，对应1270个PPI。每个像素包括10 μm微型LED和MoS₂驱动晶体管。所有像素共享一个全局接地（n-GaN接触）和独立的可寻址数据和栅线，这些数据和栅线连接到FPGA的输入/输出接口上进行AM寻址（图4a,b）。进一步的，作者演示了两个使用微型LED显示器寻址AM的案例。结果显示，大多数器件故障是由于厚SOG经孔蚀刻不彻底，导致像素开。通过固定图像中的失效像素，成功地用智能手机扫描了QR码。此外，展示了使用绿色微型LED显示屏进行AM寻址的另一个示例，其中通过点亮单个像素，在顺序帧中绘制了方形图案（图4f）。虽然这些演示还很原始，但它们证明了MoS₂ TFT可以在非常高的分辨率和系统水平上驱动微型LED显示器。

图4. 高分辨率AM微LED显示屏。

小结

1）开发了一种由原子薄MoS₂ TFT驱动的全3D单片、1270-PPI AM微型LED显示器。

2）MoS₂采用低温超净工艺进行BEOL集成，表现出优异的电性能和均匀性。

3）对MoS₂ TFT的驱动能力、亮度、响应时间、功耗和调制方式的综合分析表明，MoS₂ TFT适用于分辨率和亮度极限都达到最高的微型LED显示应用。

4）原子薄型半导体将有望开发出透明和可穿戴显示器用于生物医学应用和人机界面。

因此，通过与成熟半导体技术的异构BEOL集成，将在不久的将来迅速推进2D材料技术的发展。

参考文献

Meng, W., Xu, F., Yu, Z. et al. Three-dimensional monolithic micro-LED display driven by atomically thin transistor matrix. Nat. Nanotechnol. (2021).

DOI：10.1038/s41565-021-00966-5

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00966-5