南京大学王欣然两周两篇Nature Nanotechnology！

原创 LSY 研之成理

上周，Nature Nanotechnology上线南京大学王欣然、东南大学王金兰等的研究成果，该文报道了在蓝宝石衬底上实现晶圆级二硫化钼(MoS₂)单晶的外延生长（详细介绍：王欣然/王金兰最新Nature Nanotechnology！）。时隔一周，Nature Nanotechnology再次上线王欣然等人的研究论文，本文将对这篇文章进行介绍。

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

通讯作者：Bin Liu, Rong Zhang, Yi Shi, Xinran Wang

第一单位：南京大学

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

背景介绍

自上世纪90年代初首次亮相以来，氮化物半导体发光二极管( LED )使固态照明发生了革命性变化，如今已成长为一个价值数十亿美元的产业。近年来，小型化LED器件的发展，即所谓的微型LED，使许多新的应用得以实现，如增强和虚拟现实(AR/VR)、可见光通信和生物医学探针等。它们可以提供>107cdm^-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，使得微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。因此过渡金属二硫化物(TMDs)等二维半导体因其优异的性能进入了人们的眼球。

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本文亮点

1. 本工作报道了大面积MoS₂TFT与GaN基微LED和高分辨率显示器的单片三维集成。该工艺完全单片化，可扩展，与微电子加工兼容。

2. 本工作开发了一种低温、超净的BEOL工艺，消除了MoS₂对任何聚合物、有机溶剂和离子的伤害。这使得晶体管的性能和均匀性比传统的制造工艺有所改善。

3. 本工作合成的MoS₂晶体管提供了210μAμm^-1的大驱动电流，在8V的微LED中提供了7×10⁷ cdm^-2的亮度和几百纳秒的延迟时间。该系统的进一步发展可包括由负光泵细胞流出的物质和由正光泵细胞流出的物质所产生的细胞通讯，以及由具有可寻址成分的不同亚基组成的多细胞组织，用于摄取、交换、检测和响应其周围的环境。这些度量指标满足目前所有主要显示应用的要求。

4. 本工作制作了32×32有源矩阵(AM)显示器，分辨率为1270像素每英寸(PPI)，并演示了单个像素和高分辨率二维码图像的寻址。

图文解析

▲图1. 单片集成MoS₂TFTs与微LED

要点：

1、本工作演示了AM微LED显示器的原理图和光学显微图。该堆栈由三层组成，底层是标准的氮化镓基LED，蓝宝石衬底上的金属有机CVD。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。

2、本工作通过在蓝光LED上沉积转色CdSe/CdTe量子点实现了红光发射。这种变色方式避免了红光LED外量子效率(EQE)低和传质等问题，是实现全色显示较为方便的方法。

3、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)。光刻花样成圆形像素，并在p-GaN上沉积顶接触后，加入一层自旋对玻璃(SOG，~1.3μm厚)作为涂层，既起到平面化作用，又起到电隔离层作用。

4、MoS₂ TFT基体在SOG上整体制作，通过垂直通孔与底层微LED相连。为了尽量减少顶发射的阻塞，作者在每个LED像素的侧面设计了TFT和电气布线。

5、为了驱动微型LED显示器，需要MoS₂晶体管同时具有高性能和均匀性。为此，本工作采用CVD法在2英寸蓝宝石晶片上生长的高质量MoS₂单晶薄膜。

▲图2. MoS₂晶体管性能

要点：

1、本工作提出，Au薄膜一直保持在MoS₂上直到最后一步，它作为保护层，不受环境吸收、干蚀掩模和电接触的影响。其次，作者对不必要的Au/MoS₂进行了光刻和刻蚀。在这一步骤中，通道和接触区域仍然受到Au薄膜的保护。

2、本工作蚀刻通孔并沉积金属互连到微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，MoS₂通道和Au-Mo₂接触界面都非常干净。

3、作者注意到Au是深能级掺杂剂，与互补金属氧化物半导体(CMOS)线前端(FEOL)工艺不兼容。然而，由于掺杂剂在半导体中的扩散与温度呈指数关系，这一问题在低温后端线(BEOL)过程中并不是一个主要关注的问题。

4、接下来，本工作评估了MoS₂晶体管的性能。图2b、c为典型器件1μm通道长度(L)、10μm通道宽度(W)的传输和输出特性。发现晶体管呈现n型行为，阈值电压(V_th)为0.2 V，亚阈值斜率(SS)为200 mVdec^-1，开关比大于10⁹，无迟滞传输特性。与控制器件相比，通态电流和SS的中值分别提高了475 %以上(2~11.5μAμm^-1)和60 %以上(775 ~ 310mVdec^-1)。

▲图3. 用MoS₂ TFT驱动单个微LED

要点：

1、在对MoS₂ TFT进行单片集成后，本工作采用单管一二极管(1T1D)方案驱动单个微LED像素。该微LED在正向偏置下表现出标准二极管行为，理想因子n=1.45。

2、本工作给出了1T1D的门可调操作点(LED和TFT的截取点)。在TFT的开启状态下，晶体管上的电压降仅为0.57V，相当于总功耗的14.3%。从1T1D的电流-电压(I-V)特性可以看出，在2.3V的LED开启电压下，电流受到LED的限制。在开启电压(发光区)以上，通过LED的电流由V_g调制。

3、在Vdd=Vdata=Vg=8V下，蓝色和绿色微LED的亮度分别为1.9×107和7.1×10⁷cdm^-2 (图3d)。1T1D的高亮度可支持包括AR/VR眼镜、日光下车辆显示甚至可见光通信在内的多种显示应用。作者注意到，由于MoS₂优异的驱动能力，典型微LED显示器的每像素电流仅在微安范围内，对应于1T1D中Vdata< 3V。

4、本工作通过施加同步的Vdata和Vg脉冲来测量1T1D的响应时间。图3e显示了1T1D在250khz电压脉冲下的稳定运行。电压升降时间(10-90%)为330ns，受设备限制。这表明单个像素可以潜在地工作在2.4MHz，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3h，电流和亮度几乎没有退化

▲图4. 高分辨率AM微LED显示屏

要点：

1、为了证明异构集成可以在系统层面工作，本工作制作了完整的单片AM显示器。显示器有1024个(32×32)像素，间距20μm，对应1270个PPI。每个像素包括10μm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。

2、本工作演示了两个使用我们的微型LED显示器寻址AM的例子。发现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，作者成功地用智能手机扫描了QR码。

3、本工作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。尽管这些演示仍然是原始的，但它们证明MoS₂ TFT可以在很高的分辨率和系统级驱动微型LED显示器。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00966-5

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