Nature Nanotechnology：采用 MoS2 晶体管的全彩micro-LED 显示屏的晶圆级单片集成

第一作者：Sumin Hwangbo, Luhing Hu

通讯作者：Jong-Hyun Ahn

通讯单位：延世大学

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

一、导读

Micro-LED显示屏作为下一代显示屏具有低功耗、响应速度快、发光效率高等诸多优点。传统上制造有源矩阵微型LED显示器最广泛使用的方法是将micro-LED芯片转移到带有背板的电路板上，该方法涉及LED晶圆的外延生长，在不同晶圆上形成的微LED芯片的图案化、蚀刻、剥离和物理键合，这些晶圆充当红色，绿色和蓝色光的来源。它适用于低分辨率的大面积显示器，但在用于制造高分辨率和高速操作的微型 LED 显示器时存在局限性。

二、成果掠影

来自延世大学的学者提出了一种新型的过渡金属二硫族化合物半导体制造方法，该方法与批量微加工工艺兼容。本文展示了如何在氮化镓基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，MoS₂薄膜晶体管与微型二极管（micro-LED）器件进行单片集成，以生产有源矩阵微LED显示屏。此外，本文还展示了一种通过在蓝色微型LED上打印量子点来获得红色和绿色的简单方法，利用这项技术可制造全彩色微型LED显示器。该方案代表了实现异构集成的有希望的途径，这对于能够结合已建立的半导体技术和新兴二维材料的高性能光电子系统至关重要。相关工作以题为“Wafer-scale monolithic integration of full-colour micro-LED display using MoS2 transistor”的研究性文章在“Nature Nanotechnology”上发表。

三、核心创新点

1.提出了利用一种新型的过渡金属二硫族化合物半导体制造方法用于制备有源矩阵微LED显示屏。

2. 本文的MoS₂在相对较低的温度下直接在GaN外延晶圆上合成，不会对LED有源层造成任何损害，并且无需额外的复杂工艺即可制造用于高分辨率micro-LED显示器的背板TFT。

四、数据概览

图 1：MoS₂晶体管与 GaN 基的全彩 micro-LED 显示器的单片集成。© 2022 Springer Nature Limited

a）单片集成过程的示意图。用于 LED 的 GaN 外延层、用于晶体管的 MoS₂层和用于颜色转换的 QD 在同一衬底上沉积和图案化。

b）左：在GaN晶片上生长的MoS₂双层的TEM图像。右图： GaN 晶片上生长的 MoS₂的横截面示意图。

c ）GaN晶片上的双层MoS₂的 PL 光谱。

d ）在383.5、406.0和566.6 cm⁻¹处分别表现出MoS₂的E¹_2g和A_1g模式以及GaN的E^H₂模式的拉曼光谱。

图 2：在 GaN 晶片上生长的双层 MoS₂的光学和电学特性。© 2022 Springer Nature Limited

a ）对于在SiO₂/GaN/Si（左半边）和SiO₂/Si（右半边）衬底上生长的MoS₂薄膜的A_1g模式的空间拉曼映射。

b ）和 c ） MoS₂在 SiO₂/GaN/Si ( b ) 和 SiO₂/Si ( c ) 上三个不同点的拉曼光谱：顶部、中心和底部。

d）不同衬底上生长的MoS₂的PL光谱和相应峰的半峰全宽（FWHM）。

e）基于在 SiO₂/Si 和 SiO₂/GaN/Si 衬底上生长的 MoS₂的晶体管的转移特性，分别以红色和蓝色曲线表示。

图 3：MoS₂-TFT 集成 micro-LED 的批量制造及其电学特性。© 2022 Springer Nature Limited

a）在 4 英寸 GaN/硅和 2 英寸 GaN/蓝宝石晶片上集成 MoS₂TFT 的 micro-LED 器件的光学图像（插图）。

b）双分子层MoS₂TFT在W / L为45 µm/10 µm的硅晶片上的转移特性，驱动电压为V_DS=1 V。

c）在 GaN/Si 晶片上制造的器件的输出特性，显示在各种V_GS值下的电流饱和情况。

d）MoS₂的迁移率和阈值电压的直方图与微型 LED 集成的 TFT。

e）集成器件的栅极相关电流（I_LED）， VDD以2 V的步长施加。

f）单位器件的电流-电压（I - V）特性，当VDD从 2 V 扫描到 8 V 时，V_GS以 2 V 的步长施加。

g）由8 V的V_GS控制的像素切换特性。

h)硅片（顶部）和蓝宝石片（底部）上的由MoS₂-TFT 集成的micro-LED 的亮度控制分别具有顶部发射和底部发射。

图 4：使用 MoS₂TFT 和 QD 的全彩有源矩阵 micro-LED 显示器的运行情况。© 2022 Springer Nature Limited

a）在硅衬底上制造的具有顶部发射的集成器件的示意图。

b）使用显示字符 M、I、C、R 和 O 的外部驱动电路操作的有源矩阵 micro-LED 显示器的光学图像。

c）在蓝宝石衬底上制造的具有底部发射的集成器件的示意图。

d）在2英寸蓝宝石基板上的底部发射 micro-LED 显示器的照片，发射面积比约为 100%。

e）使用显示字符的外部驱动电路操作的底部发射显示器的光学图像。

f）I - V单位器件特性，当VDD从 2 V 扫描到 8 V，V_GS以 2 V 的步长施加。

g）阵列互连后集成器件的扫描电子显微镜图像。

h）通过蓝宝石基板上的底部发射操作的508 ppi的micro-LED 显示器的光学图像。

i）使用量子点作为转换层的全彩色显示器的光学图像。

五、成果启示

本文开发了一种使用GaN上MoS₂外延晶圆和量子点的全彩色有源矩阵微型LED显示屏。该制造方法允许将MoS₂作为有源元件进行单片集成，以驱动微型LED的全彩色显示。背板TFT与使用传统氧化物和硅互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的micro-LED阵列集成，需要在键合过程或转移过程中实现高精度对准，特别是当micro-LED芯片的尺寸减小到<10 μm规模或者用于高分辨率显示应用时。此外，低温聚硅背板需要复杂的激光工艺才能局部结晶无定形Si到多晶硅，这有可能引发由激光照射而导致micro-LED发光降解的情况。然而，MoS₂在相对较低的温度下直接在GaN外延晶圆上合成，不会对LED有源层造成任何损害，并且无需额外的复杂工艺即可制造用于高分辨率micro-LED显示器的背板TFT。此外，这种方法将为需要采用半导体材料的异构集成光电器件提供机会。在此类设备中掺入III-V化合物半导体，Si和2D材料等材料不仅可以应用于有源矩阵显示器，还可以应用于需要组装不同半导体的光学和生物传感器。

本文由SSC供稿。