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Micro-LED具有低功耗、响应速度快、高发光效率等突出优势，在下一代显示设备、尤其是高分辨率显示比如AR、VR等方面有着广泛前景。年4月最新的Nat.Nano.上发表了一篇基于MoS2TFT的全色彩micro-LED显示研究工作（文末有链接），采用了直接在LED顶部集成MoS2TFT的方法。然而，主流LED显示仍然是采用三维集成的方法制备，因此本文将介绍南京大学王欣然团队，于年底发表在Nat.Nano.的MoS2TFT三维集成micro-LED研究工作。
01MoS2TFT与micro-LED的三维集成文中采用了图1所示的三层集成工艺，包括LED层、隔离层和FET层。三维集成最大的优势在于不同功能层分开制备，可以避免制备工艺之间的相互干扰。LED功能层采用InGaN/GaN实现蓝光和绿光LED，红光LED则是在蓝光LED顶部沉积CdSe/CdTe量子点来实现。隔离层则是一层1.3μm厚的旋涂玻璃，可以承担平坦化和电学绝缘的作用。
图1.三维集成MoS2TFT和LED芯片的整体示意图
三维集成与直接集成最大的不同在于FFT功能层的制备和连接。在上一篇直接集成的文章中，MoS2需要直接在LED顶端沉积，并通过与LED共用源极的方式来串联，这样可以同时减少互连延迟。而在该三维集成工艺中，MoS2FET需要通孔互连的工艺来实现与LED的串联。具体如图2所示，在沉积FET层的底栅和栅介质后，刻蚀出连接LED层像素点的通孔；然后再将沉积好的MoS2薄膜转移至图案上方，并对多余的Au和MoS2完成刻蚀；最后，沉积金属来填充通孔和完成FET之间的连接，再刻蚀出源漏电极的间隔。图2.MoS2TFT与LED功能层互连的制备流程02MoS2TFT器件及阵列性能文中制备了W/L为10μm/1μm的MoS2FET器件，阈值电压和亚阈值摆幅分别为0.2V和mV/dec，开关比达到10^9，且开电流达到了2.1mA。同时，为了展现MoS2TFT的潜力，作者同时研究了栅介质、金属栅功函数、界面处理等条件对器件性能的影响，表明可以对开电流、阈值电压进行合理的调节。
图3.MoS2TFT对micro-LED的驱动性能
其次，在MoS2TFT的阵列中，该工作的良率达到了较高的水准95%，并且平均迁移率也达到了54cm2/V·s。通过与对照组的对比，作者认为这一优化结果得益于其超净的转移工艺，因为不同于传统的PDMS直接转移，该工作采取PMDS/Au夹层来转移MoS2薄膜，避免了聚合物杂质对MoS2性能的影响。因此，从MoS2TFT性能的角度来看，由于三维集成可以更灵活地调整晶体管结构来优化性能，相比于直接集成具有更大的性能提升空间。
03MoS2TFT的驱动及LED显示性能
从驱动性能的来看，三维集成的MoS2TFT同样具有明显的优势。10μm宽的MoS2TFT可以实现最大40μm的蓝光和绿光LED的点亮，并且最大亮度分别达到1.9X10^7和7.1X10^7cd/m2，该亮度可以支撑AR/VR、汽车显示等多个显示领域的应用。同时，单独1T1D电路可支持至少kHz的刷新频率，高出目前主流显示刷新频率（~Hz）4个数量级。
图4.基于MoS2TFT和量子点的全色彩Micro-LED显示
更进一步地，作者基于以上阵列展示了32x32、节距为20μm的显示应用（对应ppi分辨率）。通过给每个像素分配独立的gateline和dataline，并与FPGA的I/O接口键合在一起，可以实现所有像素点的单独控制，展示出MoS2TFT在系统层面对micro-LED显示的成功驱动。
总结从这篇三维集成micro-LED显示的研究来看，通过转移制备的MoS2TFT器件可以表现出优异的晶体管性能和驱动性能，同时相比于直接沉积MoS2工艺具有更大的性能优化空间。另外，尽管该工作采用了金属互连来实现MoS2TFT与GaNLED的串联，但是在驱动、刷新率等方面却未表现出逊色的性能。如此一来，虽然直接集成提供了一种新的micro-LED制造方法，但传统的三维集成在性能方面仍然具有明显的优势，并且这篇文章更能体现二维MoS2相较于poly-Si、IGZO等传统材料的优势。
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参考文献
Three-dimensionalmonolithicmicro-LEDdisplaydrivenbyatomicallythintransistormatrix.NatureNanotechnology,,16,-.
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