成果简介

无机微型发光二极管（mLED）和微型发光二极管（μLED）具有超高亮度和超长寿命，是下一代显示器对液晶显示器（LCD）和有机发光二极管（OLED）显示器的挑战。由于目前广泛使用的背板有源材料，如晶体硅（CMOS Si）、非晶硅（a-Si）、低温多晶硅（LTPS）和金属氧化物难以满足要求，因此正在开发具有高迁移率和大驱动电流的mLED/μLED 显示器背板薄膜晶体管（TFT）。半导体碳纳米管（s-CNT）因其独特的电子特性，长期以来一直被认为是很有前途的TFT材料。然而，基于s-CNT无规网络的TFT由于存在大量的管间结而显示出不足的性能。

本文，北京大学康佳昊 研究员、梁学磊 教授等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“High-performance thin-film transistors based on aligned carbon nanotubes for mini- and micro-LED displays”的论文，研究提出报告了基于晶圆级高密度对齐s-CNT 阵列（A-CNT）的高性能 TFT，用于 mLED/μLED驱动背板。这些具有微米级沟道长度的 A-CNT TFT 是采用标准半导体制造工艺制造的，在工作电压为约3V 时，其迁移率高达 160 cm2/Vs，驱动电流高达 417 μA/μm，超过了具有类似器件尺寸的市售 TFT。此外，在一个晶体管一个二极管（1T1D）像素电路配置中，这些 A-CNT TFT 对商用 mLED 具有良好的驱动能力，能够驱动商用 mLED/μLED显示屏。此外，2×2mLED 阵列的原型显示屏已通过对每个像素的完全控制进行了演示，这体现了A-CNT TFT技术在mLED/μLED显示屏背板方面的巨大潜力。

图文导读

图1. (a) A-CNT TFT 器件结构示意图及其光学显微镜图像。A-CNT TFT 采用顶部栅极和顶部接触器件结构。(b) 密度为 100-200根/μm 的 A-CNT 的扫描电镜图像。(c) L 为3μm、W 为 20 μm 的代表性 A-CNT TFT 的输出特性。(d) (c) 中相同 A-CNT TFT 的传输特性。

图2。具有从1到10的各种L的a-CNT TFT的（a）离子/W、（b）迁移率、（c）亚阈值摆幅和阈值电压、（e）Ioff/W和导通/关断比的统计特性 μm。（d） 将我们的A-CNT TFT（红星）的性能与基于其他A-CNT的FET（深蓝色圆圈）和基于s-CNT随机网络的TFT（绿色正方形）、2D （黄色三角形）、LTPS（粉色菱形）、高迁移率金属氧化物（栗色六边形）和有机材料（橙色五边形）进行比较。（f） W为20的典型HiPco a-CNT-TFT的传输和输出曲线 μm和L/5 μm。

TMD

图3. (a) 1T1D 单像素电路原理图和光学显微镜图像。(b) 由（a）中单像素电路控制的 mLED 的特性，通过扫描 Vdd 测量流经 mLED（ImLED）的电流。曲线系列对应的 Vin 值为 -5 至 1 V，步长为 0.1 V。箭头指向 mLED 的阈值电压，即 2.4V。(c) 单个像素电路的传输（ImLED - Vin）特性，Vdd 为 -2.6 至 -5.1 V，步长为 -0.5 V。插图是光学图像，显示了在固定 Vdd 为 -3.1 V 时，不同 Vin 下 mLED 的开启和关闭。(d) 中的 AR 代表孔径比。

图4. (a) 由A-CNT TFT 驱动的2×2mLED 阵列示意图。(b) 显示mLED单个、按行、按列和全部开关控制的图像。

小结

总之，开发出了高性能 A-CNT TFT，其迁移率高达 160 cm2/Vs，驱动电流高达 417 μA/μm，超过了具有相似沟道长度的 LTPS 和IGZO TFT。这些 A-CNT TFT 具有良好的驱动 mLED/μLED 单个像素的能力。此外，还展示了一个由2×2mLED 阵列组成的显示元件原型，体现了我们的A-CNT TFT背板技术在 mLED/μLED 显示器方面的巨大潜力。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118718