半导体技术有新突破,可贴在人手腕上的二极体面板显示屏

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将二硫化钼作为 2D 半导体材料有一项非常优异的性能,那就是它们很容易弯曲。电子在这样的半导体中可以快速移动。同时,因为只有大约一个原子的厚度,这类半导体是透明的。这些特点让它们成为制作柔性 OLED 显示屏的理想材料。然而,当生产商试图将二硫化钼加工到控制 OLED 像素的晶体管中时,二硫化钼(MoS2)与晶体管的源极和漏极之间的电阻将会过高,使得这种优异的材料无法得到应用。
 
现在,韩国的工程师找到一种办法, 可以将二硫化钼晶体管应用到可弯曲的 OLED 显示屏中。他们使用这种晶体管,在厚度仅为 7 微米的塑料片上组成一个简单的 6×6 的点阵,这片塑料片可以贴在人的皮肤上。这个简单的塑料片显示屏非常柔软,用小于 1 厘米的弯曲半径来折弯也不会损坏。

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图 | 贴在人手腕上的超薄主动矩阵有机发光二极体面板(AM-OLED)显示屏
 
首尔延世大学的柔性电子专家 Jong-Hyun Ahn 解释说,“载流子迁移率(Carrier mobility)”是他们需要攻关的重点性能。这项性能衡量的是电荷通过半导体的速率。举个例子,用于制造大多数芯片的材料——晶体硅的载流子迁移率为 1400 平方厘米/伏-秒(cm2/V-s)。组成显示屏背板的半导体是用于开关和点亮像素的系统,它们所需的载流子迁移率必须能够驱动足够的电流来操作这些像素,还要满足视频码率的要求。“对于传统的 LCD 液晶显示屏,它们的背板可以用载流子迁移率较低的非晶硅来制作。”Ahn 说,这种材料的电子迁移率大约为1平方厘米/伏-秒。但是 OLED 显示屏需要更高的载流子迁移率。包括 LG 和三星在内的 OLED 显示屏生产商使用迁移率较高的材料,例如多晶硅(>10 平方厘米/伏-秒)和氧化物半导体等。但是 ,“这些材料是硬且脆的。”Ahn 说道。它们可以弯曲到一定程度,但是不能重复弯曲。

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图 | 具有高迁移率的二硫化钼TFT晶体管的原理图,钝化层由三氧化二铝构成
 
一个二硫化钼晶体管被两层三氧化二铝(Al2O3)从上下两个方向夹住。这种装置迁移率高,而高迁移率对于为 OLED 显示屏的像素输送电流来说至关重要。要制作超薄的柔性 OLED 显示屏,Ahn及其团队需要将二硫化钼从将它“抓住”的晶体管里释放出来。Ahn 说:“二硫化钼与晶体管电极之间的接触电阻非常高,高电阻会降低二硫化钼晶体管的载流子迁移率。”
 
解决问题的关键在于认识到 2D 半导体非常容易受到周围材料的影响。不同于常用的将晶体管安放在氧化硅表面上的手段,Ahn 的团队使用的材料表面非常光滑,易于控制。他们把晶体管夹在两层绝缘的铝氧化物中。三氧化二铝和二硫化钼的接触面增加了半导体中的电子,类似往硅材料中掺杂化学物质让它成为半导体的现象。这种增强效果克服了接触电阻高的问题,提高了电荷载流子迁移率。除此之外,光滑的介电材料不会产生可能困住电荷的斑点(spot),进一步将迁移率提高到 17 到 20 平方厘米/伏-秒。
 
Ahn 及其团队接下来希望制造一块智能手表或智能手机大小的柔性屏。他们于本周向 Science Advances 期刊报告了这项发明。

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