大面积MoS2晶体管的全色Micro-LED显示器

   近日，延世大学Jong-HyunAhn团队提出了一种新型过渡金属二硫化合物-复合半导体制造方法，与批量微制造工艺兼容。我们展示了如何在基于氮化镓的外延晶片上直接合成二硫化钼（MoS2）薄膜以形成薄膜晶体管阵列。随后，将MoS2薄膜晶体管与微发光二极管（Micro-LED）器件整体集成以产生有源矩阵Micro-LED显示器。此外，作者展示了一种通过在蓝色Micro-LED上打印量子点来获得红色和绿色的简单方法，这允许可扩展制造全色Micro-LED显示器。该策略代表了实现异构集成的有希望的途径，这对于可以结合已建立的半导体技术和新兴二维材料的高性能光电系统至关重要。

   复合半导体上的过渡金属二硫族化合物

   图1a显示了制造全色Micro-LED显示器的阶段的示意图。该过程开始于通过在580℃下进行的金属-有机化学气相沉积（CVD）在涂覆有绝缘SiO2缓冲层的4英寸GaN外延晶片上生长双层MoS2薄膜。在图案化过程之后，基于MoS2的TFT（顶层）和基于GaN的微LED（底层）单层互连。为了实现全色显示，通过标准光刻工艺将与透明光致抗蚀剂（SU-8）混合的红色和绿色QD印刷在微LED芯片上。透射电子显微镜（TEM）分析显示在涂覆有保护性SiO2缓冲层的GaN晶片上形成均匀的MoS2双层膜。使用原子力显微镜（AFM）、TEM和光致发光（PL）、拉曼和X射线光电子能谱确认MoS2膜的层数和质量。MoS2薄膜具有良好的缝合晶界，可以提高电性能和稳定性。

   高温生长（超过750℃）会对GaN晶片的多量子阱（MQW）造成热损伤。为了避免这种损坏，MoS2膜在580℃下生长。结果，基于GaN的微LED显示出相同的特性而没有任何热降解。在室温下测量的拉曼光谱和PL光谱证明MoS2膜在GaN晶片上成功生长。这个制造方法有几个重要特征：（1）它可以最大限度地减少限制器件性能的互连延迟，因为MoS2TFT垂直集成在GaN上，从而产生高工作频率。（2）整个制造过程在相对较低的温度下发生，从而避免在处理覆盖的背板期间对下面的微LED层造成热损伤。（3）GaN基LED和MoS2 TFT的整体集成适用于大规模集成过程。这些特性可以克服传统微LED技术的一些局限性。

图1 MoS2晶体管和GaN基全色微型LED显示器的整体集成

   图2显示了GaN/Si晶片上的MoS2薄膜与典型SiO2晶片上的MoS2薄膜的光学和电学性质之间的比较。GaN上的SiO2缓冲层提供与MoS2半导体层的绝缘，并使GaN外延晶片的粗糙表面更光滑。GaN外延晶片的表面粗糙度通常在0.5至4.1nm的范围内，导致MoS2晶体的生长迟缓。由于粗糙表面引起的散射导致所得器件中的电性能严重降低。使用高密度等离子体（HDP）CVD技术在GaN上形成光滑的SiO2层。在等离子体辅助沉积过程中形成的硅烷醇基团增强了SiO2层的润湿性。两种MoS2薄膜在不同的基底上生长显示晶片尺度均匀性和优异的光电性能。A1g模式的空间拉曼映射集中在406.0 cm−1每个MoS2膜中的1个显示出生长的MoS2的高均匀性。

   此外，在2英寸GaN/蓝宝石晶片上合成的MoS2表现出良好的空间均匀性和性能，这与在GaN/Si晶片上生长的MoS2相当。拉曼光谱的和A1g模式以及1.87–1.88 eV的PL光谱分别表现出相似的峰距和峰位置。这表明在每个衬底上形成了均匀且几乎相同的MoS2晶片级双层。在GaN和SiO2晶片上制造的顶栅双层MoS2 TFT（沟道宽度（W）和长度（L）分别为120和6μm）产生场效应迁移率（μFE）和阈值电压（VTH）值分别为12.1±2.3cm2V-1s-1和1.6±1.5V，以及12.6±1.9cm2V-1s-1和1.2±1.8V。无论这些器件中的基板如何，TFT特性都相似。

图2 生长在GaN晶片上的双层MoS2的光学和电学性质

   MoS2 TFT和Micro LED的整体集成

   在GaN外延晶片上生长的MoS 2膜的均匀性使得能够批量制造活性基质微LED显示器。图3a示出了在GaN/Si衬底上形成的16×16阵列的顶部发射微LED和在GaN/蓝宝石衬底上的100×100阵列的底部发射微LED的16组。对于GaN/Si衬底的情况，W/L为45μm/10μm的TFT的漏极连接到微LED的阳极。集成器件中的MoS2 TFT显示μFE为12.3±2.6 cm2 V-1 s-1、开/关比为109±10、亚阈值摆动为0.8±0.2 V dec-1，VTH为2.4±1.2 V。特别地，TFT的VTH表明当施加零栅极电压时，微LED表现出正常的off操作。这种行为对于显示电路的低功耗很重要。

   此外，MoS2TFT的输出特性表明，在10 V的栅极电压下，漏极电流值达到0.4mA，具有欧姆特性。MoS2晶体管阵列的μFE和VTH的直方图显示出均匀的值，平均值分别为11.2 cm2 V-1s-1和1.1 V。这些结果表明，MoS2晶体管适用于大面积微LED显示器的可靠生产。通过优化MoS2生长和器件制造工艺，可以进一步改善MoS2 TFT的特性，以便稳定运行微LED。MoS2为集成过程提供了便利和可扩展的优势，广泛用作微型LED显示器的背板TFT。最后，检查了MoS2 TFT集成的微LED像素的电学特性。硅衬底（180μm×100μm）和蓝宝石衬底（90μm×90μm）上的微LED开始在栅极源电压（VGS）和数据电压（VDD）值超过〜0-2V，这与典型LED芯片的接通电压相当。通过在+8和0 V之间交替栅极脉冲偏置，集成器件也在+6 V的固定VDD下从off状态驱动到on状态，这表明在60 Hz时没有任何均匀和快速的开关响应延迟。

   每个像素单元的亮度由固定VDD下的调制VG清楚地控制。Micro LED处于关闭状态，当VGS处于关闭状态时，低于〜0–2V，并且像素单元的光强度随着VG的增加而增加，这表明出色的栅极可控性。此外，集成器件可以在一周的时间内保持稳定的输出。特别地，由于衬底的透明性，在蓝宝石衬底上制造的底部发射微LED实现了~100%的发射面积比。这些结果表明，单层集成器件可用于微LED显示器。

图3 MoS2 TFT集成微LED的批量制造及其电学性能

   全彩色有源矩阵微型LED显示屏

   对于系统级操作、数据线、栅极和接地线连接到漏极，栅极和LED的n-pad。使用柔性印刷电路板将制造的微LED电连接到外部驱动电路，并以60Hz刷新率驱动。在驱动电路中编码了五个字母字符'M'，'I'，'C'，'R'和'O'，并通过顶部发射以高产量和均匀性显示。此外，蓝宝石基板上的微型LED显示器能够实现底部发射，以类似的方式操作，以展示具有每英寸100像素的相对高分辨率的大面积显示器。微LED像素的产量约为92%。为了进一步演示508 ppi的高分辨率显示器，小尺寸10 m×10 m的微型LED与W/L=20m/2 m的MoS2 TFT集成在一起，表现出稳定的操作。此外，为了实现RGB，将全色显示器，CdSe/ZnS绿色和红色胶体QD与透明的基于环氧树脂的SU-8光致抗蚀剂混合，并通过标准光刻工艺进行图案化。固化的SU-8环氧树脂也可用于封装分散的QD，从而长期提高QD发射性能的稳定性。

   优化的QD转换层的吸收和PL光谱显示出作为显示器的颜色转换器的优异特性，绿色和红色QD的外部量子效率分别为27.76%和26.30%。绿色和红色QD在450nm处显示出高吸收，其由基于GaN的蓝色微LED发射。因此，它们可以被蓝色微LED激发，并分别在640 nm和530 nm处发出红色和绿色。显示器制造在具有顶部发射的Si衬底上，稳定工作而没有任何光学串扰，并呈现三种不同的颜色：红色，绿色和蓝色。所得微LED的电致发光光谱显示红色，绿色和蓝色像素分别显示643538和454nm的峰值波长。蓝色与红色和绿色像素一起可以略微观察到。这种现象可以通过进一步改进微LED的设计和工程来克服。

   为了确认显示器的色域，调查了其国际照明委员会（CIE）的色度。有源矩阵全色微型LED显示器的颜色覆盖率达到CIE 1931色彩空间中国家电视标准委员会规范的110%。然而，在蓝宝石上制造的底部发射显示器提出了另一个挑战。红色和绿色量子点的光转换效率和颜色纯度受蓝宝石厚度的强烈影响。蓝宝石衬底的厚度控制和器件层从衬底分层后的QD图案化可以避免这个问题。

图4 使用MoS2 TFT和QD的全色有源矩阵微LED显示屏的操作

   作者开发了一种全色有源矩阵微LED显示器，使用GaN外延晶片和量子点上的MoS2。该制造方法允许MoS2作为有源元件的整体集成，以驱动微LED的全色显示。使用传统氧化物和Si互补金属氧化物半导体（CMOS）技术将背板TFT与微型LED阵列集成需要在粘接过程或传输过程中具有高精度的对准，特别是当微型LED芯片的尺寸减小时对于高分辨率显示应用，缩小到<10μm的比例。此外，需要复杂的激光工艺将非晶Si局部结晶成多晶Si的低温聚Si背板引起了由于激光照射引起的微LED发光退化的担忧。然而，MoS2在相对较低的温度下直接在GaN外延晶片上合成而不会损坏LED有源层，因此可以制造用于高分辨率micro-LED显示器的背板TFT，而无需额外的复杂工艺。这种方法将为需要结合半导体材料的异质集成光电器件提供机会。在这种器件中结合诸如III-V化合物半导体，Si和2D材料的材料不仅可以应用于活性基质显示器，而且可以应用于需要组装不同半导体的光学和生物传感器。