Nature Nanotechnology：采用 MoS2 晶體管的全彩micro-LED 顯示屏的晶圓級單片集成

第一作者：Sumin Hwangbo, Luhing Hu

通訊作者：Jong-Hyun Ahn

通訊單位：延世大學

DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-022-01102-7

一、導讀

Micro-LED顯示屏作為下一代顯示屏具有低功耗、響應速度快、發光效率高等諸多優點。傳統上制造有源矩陣微型LED顯示器最廣泛使用的方法是將micro-LED芯片轉移到帶有背板的電路板上，該方法涉及LED晶圓的外延生長，在不同晶圓上形成的微LED芯片的圖案化、蝕刻、剝離和物理鍵合，這些晶圓充當紅色，綠色和藍色光的來源。它適用于低分辨率的大面積顯示器，但在用于制造高分辨率和高速操作的微型 LED 顯示器時存在局限性。

二、成果掠影

來自延世大學的學者提出了一種新型的過渡金屬二硫族化合物半導體制造方法，該方法與批量微加工工藝兼容。本文展示了如何在氮化鎵基外延晶片上直接合成二硫化鉬（MoS₂）薄膜以形成薄膜晶體管陣列。隨后，MoS₂薄膜晶體管與微型二極管（micro-LED）器件進行單片集成，以生產有源矩陣微LED顯示屏。此外，本文還展示了一種通過在藍色微型LED上打印量子點來獲得紅色和綠色的簡單方法，利用這項技術可制造全彩色微型LED顯示器。該方案代表了實現異構集成的有希望的途徑，這對于能夠結合已建立的半導體技術和新興二維材料的高性能光電子系統至關重要。相關工作以題為“Wafer-scale monolithic integration of full-colour micro-LED display using MoS2 transistor”的研究性文章在“Nature Nanotechnology”上發表。

三、核心創新點

1.提出了利用一種新型的過渡金屬二硫族化合物半導體制造方法用于制備有源矩陣微LED顯示屏。

2. 本文的MoS₂在相對較低的溫度下直接在GaN外延晶圓上合成，不會對LED有源層造成任何損害，并且無需額外的復雜工藝即可制造用于高分辨率micro-LED顯示器的背板TFT。

四、數據概覽

圖 1：MoS₂晶體管與 GaN 基的全彩 micro-LED 顯示器的單片集成。? 2022 Springer Nature Limited

a）單片集成過程的示意圖。用于 LED 的 GaN 外延層、用于晶體管的 MoS₂層和用于顏色轉換的 QD 在同一襯底上沉積和圖案化。

b）左：在GaN晶片上生長的MoS₂雙層的TEM圖像。右圖： GaN 晶片上生長的 MoS₂的橫截面示意圖。

c ）GaN晶片上的雙層MoS₂的 PL 光譜。

d ）在383.5、406.0和566.6 cm^?1處分別表現出MoS₂的E¹_2g和A_1g模式以及GaN的E^H₂模式的拉曼光譜。

圖 2：在 GaN 晶片上生長的雙層 MoS₂的光學和電學特性。? 2022 Springer Nature Limited

a ）對于在SiO₂ /GaN/Si（左半邊）和SiO₂ /Si（右半邊）襯底上生長的MoS₂薄膜的A_1g模式的空間拉曼映射。

b ）和 c ） MoS₂在 SiO ₂ /GaN/Si ( b ) 和 SiO ₂ /Si ( c ) 上三個不同點的拉曼光譜：頂部、中心和底部。

d）不同襯底上生長的MoS ₂的PL光譜和相應峰的半峰全寬（FWHM）。

e）基于在 SiO ₂ /Si 和 SiO ₂ /GaN/Si 襯底上生長的 MoS ₂的晶體管的轉移特性，分別以紅色和藍色曲線表示。

圖 3：MoS₂-TFT 集成 micro-LED 的批量制造及其電學特性。? 2022 Springer Nature Limited

a）在 4 英寸 GaN/硅和 2 英寸 GaN/藍寶石晶片上集成 MoS₂ TFT 的 micro-LED 器件的光學圖像（插圖）。

b）雙分子層MoS₂ TFT在W / L為45 μm/10 μm的硅晶片上的轉移特性，驅動電壓為V_DS=1 V。

c）在 GaN/Si 晶片上制造的器件的輸出特性，顯示在各種V_GS值下的電流飽和情況。

d）MoS₂的遷移率和閾值電壓的直方圖與微型 LED 集成的 TFT。

e）集成器件的柵極相關電流（I_LED ）， VDD以2 V的步長施加。

f）單位器件的電流-電壓（I - V）特性，當VDD從 2 V 掃描到 8 V 時，V_GS以 2 V 的步長施加。

g）由8 V的V_GS控制的像素切換特性。

h)硅片（頂部）和藍寶石片（底部）上的由MoS₂ -TFT 集成的micro-LED 的亮度控制分別具有頂部發射和底部發射。

圖 4：使用 MoS₂ TFT 和 QD 的全彩有源矩陣 micro-LED 顯示器的運行情況。? 2022 Springer Nature Limited

a）在硅襯底上制造的具有頂部發射的集成器件的示意圖。

b）使用顯示字符 M、I、C、R 和 O 的外部驅動電路操作的有源矩陣 micro-LED 顯示器的光學圖像。

c）在藍寶石襯底上制造的具有底部發射的集成器件的示意圖。

d）在2英寸藍寶石基板上的底部發射 micro-LED 顯示器的照片，發射面積比約為 100%。

e）使用顯示字符的外部驅動電路操作的底部發射顯示器的光學圖像。

f）I - V單位器件特性，當VDD從 2 V 掃描到 8 V，V_GS以 2 V 的步長施加。

g）陣列互連后集成器件的掃描電子顯微鏡圖像。

h）通過藍寶石基板上的底部發射操作的508 ppi的micro-LED 顯示器的光學圖像。

i）使用量子點作為轉換層的全彩色顯示器的光學圖像。

五、成果啟示

本文開發了一種使用GaN上MoS₂外延晶圓和量子點的全彩色有源矩陣微型LED顯示屏。該制造方法允許將MoS₂作為有源元件進行單片集成，以驅動微型LED的全彩色顯示。背板TFT與使用傳統氧化物和硅互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的micro-LED陣列集成，需要在鍵合過程或轉移過程中實現高精度對準，特別是當micro-LED芯片的尺寸減小到<10 μm規模或者用于高分辨率顯示應用時。此外，低溫聚硅背板需要復雜的激光工藝才能局部結晶無定形Si到多晶硅，這有可能引發由激光照射而導致micro-LED發光降解的情況。然而，MoS₂在相對較低的溫度下直接在GaN外延晶圓上合成，不會對LED有源層造成任何損害，并且無需額外的復雜工藝即可制造用于高分辨率micro-LED顯示器的背板TFT。此外，這種方法將為需要采用半導體材料的異構集成光電器件提供機會。在此類設備中摻入III-V化合物半導體，Si和2D材料等材料不僅可以應用于有源矩陣顯示器，還可以應用于需要組裝不同半導體的光學和生物傳感器。

本文由SSC供稿。