石墨烯晶體管優(yōu)化制備工藝在單片集成驅動氮化鎵微型發(fā)光二極管中的應用*

苑營闊 郭偉玲? 杜在發(fā) 錢峰松 柳鳴 王樂 徐晨 嚴群 孫捷3)?

1) (北京工業(yè)大學微電子學院,光電子技術教育部重點實驗室,北京 100124)

2) (福州大學平板顯示技術國家地方聯(lián)合工程實驗室,中國福建光電信息科學與技術創(chuàng)新實驗室,福州 350100)

3) (瑞典查爾摩斯理工大學,量子器件物理實驗室,哥德堡 41296)

在顯示領域,微型發(fā)光二極管 (micro-LED) 潛力巨大,有望引領下一代新型顯示技術的發(fā)展方向,其顯示性能在很多方面優(yōu)于現(xiàn)有的液晶、有機發(fā)光二極管(OLED),但巨量的micro-LED 像素點與驅動電路不在同一晶圓上制備,面臨巨量轉移的技術瓶頸.本文將新興的石墨烯場效應晶體管作為驅動元件與氮化鎵(GaN) micro-LED 進行單片集成,因為二者直接制備于同一襯底上,所以從根源上規(guī)避了巨量轉移的技術難題.此外,傳統(tǒng)光刻工藝中紫外光刻膠直接接觸石墨烯,會引入嚴重摻雜導致場效應晶體管性能較差,進而影響集成器件性能.本文提出了一種利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜作為保護層,直接旋涂紫外光刻膠進行墊層光刻的全新工藝方法,優(yōu)化了石墨烯場效應晶體管制備工藝.首先在分立的石墨烯場效應晶體管中進行驗證,相比于沒有進行PMMA 薄膜保護的器件,采用新工藝制備的石墨烯器件狄拉克點的柵極電壓 (Vg)距零點的偏差降低了22 V,載流子遷移率提升了32%.此外,將新工藝應用到集成器件制備后,發(fā)現(xiàn)集成器件性能得到了大幅提升.利用此新技術,由于有PMMA 的保護,紫外光刻膠不再與敏感的石墨烯溝道直接接觸.摻雜效應和隨之而來的器件性能下降被有效扼制.因為此技術簡便而廉價,所以也可應用到石墨烯之外的其他二維材料中,例如MoS2 和h-BN,有望對本領域的器件工程師產(chǎn)生一定的參考價值.

1 引言

隨著顯示技術的不斷發(fā)展,高度微型化和集成化成為顯示領域的兩大重要的發(fā)展方向,微型發(fā)光二極管(micro-LED)顯示從功耗、分辨率、對比度、壽命等方向超過了目前主流的液晶(LCD)、有機發(fā)光二極管(OLED)顯示,最有潛力成為下一代顯示技術,應用前景十分廣闊[1,2].Micro-LED通常指單位像素面積小于或等于2.5×10–3mm2的微型發(fā)光二極管.目前,micro-LED 憑借其優(yōu)異的性能,成為了眾多科研院所以及公司廠商的研究熱點.然而,它面臨的“巨量轉移”難題,放緩了micro-LED 顯示的商業(yè)化進程.例如,將大量的micro-LED 像素點轉移至在另一硅基晶圓上制備的互補金屬氧化物半導體(CMOS)驅動電路上,現(xiàn)階段的巨量轉移技術主要依賴精準抓取,難以滿足其對良率(大于99.9999%)和精度(± 0.5 μm 以內)的要求,存在技術瓶頸.鑒于巨量轉移技術短時間內難以實現(xiàn)質的突破,近年來,一些研究人員選擇將驅動電路和micro-LED 單片集成的技術路線,即將驅動元件和micro-LED 在同一襯底上制備,可以有效規(guī)避巨量轉移這一技術難題,加速micro-LED 顯示的商業(yè)化應用.在驅動電路和GaN micro-LED 單片集成的實現(xiàn)方式上,目前存在多條技術路線,Liu 等[3]在藍寶石基底上使用金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)生長GaN 高遷移率晶體管(HEMT),與藍光GaN LED 的外延結構進行單片集成;Lee 等[4]在GaN LED 旁邊采用干法刻蝕制備金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET),串聯(lián)在一起進行單片集成;我們課題組[5]首次提出將石墨烯場效應晶體管與GaN micro-LED 單片集成,開辟了二維材料晶體管新的應用方向.但是,在上述技術路線中,直接生長受限于兩種器件的生長溫度不兼容,并且存在晶格失配問題;刻蝕法由于沒有刻蝕停止層,對刻蝕深度難以把握而且會引入等離子體損傷;石墨烯場效應晶體管作為驅動的集成micro-LED 正處于萌芽階段,受限于石墨烯晶體管的性能,導致其對GaN micro-LED 的調控作用較差,還需要通過優(yōu)化晶體管制備工藝來提升集成器件性能.

石墨烯是一種具有原子層厚度的二維晶體材料,天然地具有超薄、透明、柔性、高遷移率等優(yōu)點,非常符合微電子學的發(fā)展趨勢[6,7].但是在石墨烯場效應晶體管工藝流程中,由于石墨烯溝道位于表面,其電學性能易受環(huán)境影響而大大降低,這延緩了二維材料器件走向實際應用的進程.除了空氣中的水、氧等分子導致的摻雜(多為p 型摻雜),標準半導體紫外光刻工藝中使用的紫外光刻膠,其殘留物也會對二維材料產(chǎn)生摻雜.這可能是由于在紫外光刻法圖形化石墨烯過程中,在空氣中旋涂的紫外光刻膠會捕獲周圍環(huán)境中大量水和氧氣分子,它們遺留在二維材料表面的光刻膠殘留物中,并且水分子還可大量存在于親水襯底表面(氧化硅),這些都會導致嚴重的非故意摻雜,增加非本征散射,降低石墨烯載流子遷移率,進而影響器件電學性能[8].雖然可以通過退火來降低摻雜[9],但是效果不徹底.為避免二維材料直接接觸紫外光刻膠,需要從根本上改進場效應晶體管的制備工藝.Shao 等[10]用原子層沉積(ALD)生長薄層氧化硅作為保護層,避免二者直接接觸.Zhang 等[11]用硅材料做成的掩膜版進行圖形化金屬蒸發(fā),規(guī)避電極光刻這一步驟,從而避免二維材料直接接觸紫外光刻膠.但是這些方法都存在一定的問題,由于二維材料表面很少有懸掛鍵,ALD 在其表面成核生長極為困難;用硅作接觸掩膜也使二維材料損傷的可能性大大增加.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜對二維材料的摻雜作用相對于紫外光刻膠小得多,且其易溶于有機溶劑,表面殘留較少,經(jīng)常被用作機械轉移石墨烯薄膜的支撐層材料[12,13].因此很多實驗室以PMMA 為光刻膠,用電子束曝光將石墨烯圖形化,從而獲得較高的器件性能[14,15].但是此法雖可降低摻雜,卻成本高、技術復雜,不適合批量化生產(chǎn).

本文提出了一種將PMMA 薄膜用作紫外光刻墊層保護溝道石墨烯輸運層的新工藝,對石墨烯場效應晶體管的工藝流程進行本質上的優(yōu)化并將其應用到與GaN micro-LED 單片集成器件中.之所以選用PMMA 作為墊層,是出于如下幾個考慮:1)它是已知極少的對二維材料損傷和摻雜較小的聚合物材料之一;2)它分子量大、機械強度大,可以用來轉移圖形化金屬電極;3)它的薄膜可以方便地旋涂制備;4)它不會被大多數(shù)紫外光刻膠的溶劑和顯影液溶解;5)它可以被氧等離子體方便地與二維材料一起刻蝕干凈,將二維材料圖形化;6)它可以被丙酮等有機溶劑連同紫外光刻膠一起去除.新工藝在分立的石墨烯場效應晶體管中室溫下實現(xiàn)最大載流子遷移率1417 cm2·V–1·s–1,跨導0.699 mS/mm,相比于傳統(tǒng)工藝直接接觸紫外光膠器件載流子遷移率提升了32%,狄拉克點的Vg距零點的偏差降低了22 V.此外,將新工藝應用到集成器件的制備工藝中,集成器件中的石墨烯場效應晶體管跨導為0.1042 mS/mm,遷移率為1087 cm2·V–1·s–1.新工藝制備的集成器件與傳統(tǒng)工藝制備的集成器件相比,其石墨烯場效應晶體管跨導顯著提升(舊工藝僅為0.0449 mS/mm),進而導致了石墨烯場效應晶體管對micro-LED 的電流調控能力大幅增強.此工藝可以推廣到其他二維材料(如硫化鉬[16]、氮化硼[17]、黑磷[18])中,用于制備二維材料晶體管并應用到光電探測器等領域.本文采用新工藝制備的micro-LED 與石墨烯場效應晶體管單片集成器件巧妙規(guī)避了巨量轉移,驗證了新工藝在實際器件應用中的可行性.

2 使用新工藝制備石墨烯場效應晶體管的工藝流程

本文提出的制備石墨烯背柵場效應晶體管的新工藝中,使用PMMA 薄膜保護石墨烯場效應晶體管溝道輸運層,避免它直接接觸紫外光刻膠而引入嚴重摻雜和沾污,流程如圖1 所示,(圖1(i)為器件的實物圖).首先用硫酸雙氧水混合液(2:1)清洗硅片,再用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)在300 ℃下生長800 nm 厚的SiO2,然后光刻并濺射50 nm 厚的金,剝離形成場效應晶體管的源漏電極.樣品旋涂PMMA 并烘干后,放入氫氟酸腐蝕液(HF∶NH3F∶H2O=3 ml∶6 g∶10 ml)中鉆蝕氧化硅犧牲層,使帶有金電極的PMMA 薄膜漂浮在液體表面,再將其轉移到去離子水中,清洗5 遍,重復3,4 次,然后轉移到事先準備好的目標襯底上(從上到下依次為石墨烯/100 nm SiO2/重摻低阻硅)并烘干.再在PMMA 薄膜上直接旋涂紫外光刻膠AZ5214,光刻圖形化,用其做掩膜,保護下面的PMMA 薄膜和石墨烯,而將暴露出來的PMMA/石墨烯用氧等離子體刻蝕干凈,最后放入丙酮溶液中靜置20 min,重 復兩次,徹底去除PMMA 和其上的紫外光刻膠,再在異丙醇中浸泡5 min,取出待表面殘留的液體自然揮發(fā)干凈后進行后續(xù)測試.在對照組的實驗中,用PMMA 薄膜輔助轉移金屬電極后,將其用丙酮去除干凈,直接進行后續(xù)的紫外光刻,石墨烯溝道無保護層而直接接觸紫外光刻膠,其他步驟則不變.

圖1 基于PMMA 作為載體轉移圖形化電極并進行石墨烯墊層光刻的新工藝的石墨烯晶體管制備流程圖Fig.1.Fabricated process of graphene transistor based on PMMA as the carrier to transfer patterned electrode and followed by graphene photolithography with PMMA underlayer.

使用Horiba France Sas 公司的LABRAM HR EVO 拉曼光譜儀,先對已經(jīng)轉移到目標襯底上的商用單層石墨烯(系CVD 生長在銅箔上)進行表征,然后對優(yōu)化工藝制備的溝道石墨烯和對比組的溝道石墨烯分別進行表征.最后,用Keysight 公司生產(chǎn)的綜合分析儀B5100A 測試石墨烯場效應晶體管的電學特性,包括轉移和輸出特性等.

3 分立石墨烯晶體管的實驗結果與討論

對實驗中的石墨烯用拉曼光譜儀進行表征,拉曼光譜如圖2 所示.黑色曲線為轉移到目標襯底SiO2/Si 上、未做器件工藝的石墨烯的拉曼光譜,可以發(fā)現(xiàn)其特征峰中位于2700 cm–1左右的2D和1580 cm–1附近的G 峰的峰值強度比I2D/IG約為1.6,且2D 峰的半高寬(FWHM)為35 cm–1,表明石墨烯的層數(shù)為單層[19],且位于1350 cm–1左右的缺陷峰D 峰幾乎沒有,表明該石墨烯結構缺陷較少.紅色曲線為優(yōu)化工藝后有PMMA 保護的溝道石墨烯拉曼光譜,和黑色曲線對比,發(fā)現(xiàn)二者較為接近,I2D/IG約為1.6,D 峰強度仍然很低,說明采用新工藝后,引入的缺陷和有機物殘留的確較少.藍色曲線為對比實驗中,直接接觸光刻膠的石墨烯拉曼光譜,相比于有PMMA 墊層保護的器件,對照組的石墨烯D 峰顯著增高,已達到G 峰高度的37%.雖然都為單層石墨烯,但是直接接觸紫外光刻膠后I2D/IG比值下降到0.72,表明紫外光刻膠的有機物殘留引入的空穴摻雜,大大降低了石墨烯的質量,并且在石墨烯的拉曼光譜中體現(xiàn)出來[8,19].這種變化趨勢,在器件上的石墨烯的拉曼成像中表現(xiàn)得更明顯,有更直觀的反映(如圖3 所示).

圖2 未做器件工藝的石墨烯(黑色曲線)、有PMMA 保護的石墨烯溝道(紅色曲線)、無PMMA 保護的石墨烯溝道的拉曼光譜(藍色曲線)Fig.2.Raman spectra of the graphene that does not undergo any device processing (black curve),graphene channel with PMMA protection (red curve),and graphene channel without PMMA protection (blue curve).

圖3 (a),(b),(c)分別是未做工藝的石墨烯、新工藝有PMMA 保護、舊工藝無PMMA 保護ID/IG 拉曼顯微成像;(d),(e),(f)分別是未做工藝的石墨烯、新工藝有PMMA 保護、舊工藝無PMMA 保護I2 D/IG 拉曼顯微成像Fig.3.(a),(b),(c) are ID/IG Raman mapping of graphene without processing,graphene with new processing with PMMA protection,and graphene with old processing with no PMMA protection,respectively;(d),(e),(f) are I2 D/IG Raman mapping of graphene without processing,graphene with new processing with PMMA protection,and graphene with old processing with no PMMA protection,respectively.

石墨烯的本征費米能級位于導帶和價帶中間,通過外加柵電壓,形成垂直于石墨烯平面方向上的電場,當柵極電壓為正時,費米能級移動到導帶,此時多數(shù)載流子為電子,電壓升高電子濃度增大,電阻降低;當柵極電壓為負時,費米能級移動到價帶,此時多數(shù)載流子為空穴,電壓升高空穴濃度增大,電阻也降低.在石墨烯器件的實際制備過程中,石墨烯接觸水、氧氣分子以及光刻膠引起電荷轉移,導致其費米能級位于價帶呈現(xiàn)p 型摻雜[6],但是上面分析的費米能級隨柵壓的變化趨勢仍然有效,可以通過調控柵壓而調節(jié)溝道電流大小.對新工藝制備的石墨烯場效應晶體管的電學特性進行測試,轉移特性曲線如圖4(a)所示,紅色曲線為去膠前測量所得,柵壓在–40—40 V 范圍內并沒有出現(xiàn)狄拉克點(在沒有摻雜或者摻雜較少的石墨烯中狄拉克點應出現(xiàn)在Vg=0 V 附近),這說明雖然有PMMA 墊層的阻隔,但只要主要摻雜源亦即有機物殘留不去除,電荷依然可以在石墨烯與光刻膠之間轉移,造成一定的p 型摻雜.這種通過聚合物薄膜的電荷轉移在外延石墨烯中也有類似情況的報道[20].樣品浸泡在丙酮溶液中去膠后,繼續(xù)測試石墨烯場效應晶體管的轉移特性曲線(黑色曲線),發(fā)現(xiàn)狄拉克點左移至測量范圍以內,出現(xiàn)在Vg=16 V 左右,說明光刻膠的去除使摻雜現(xiàn)象大大降低.但是,受到空氣中的水、氧分子和氧化硅界面態(tài)[21],以及殘存的極少量有機物的影響[6],溝道石墨烯還是存在少許p 型摻雜.根據(jù)跨導計算公式

圖4 (a)在有PMMA 墊層保護的情況下,去膠前后石墨烯場效應晶體管的轉移特性曲線;(b) 優(yōu)化后石墨烯場效應晶體管在室溫下的輸出特性曲線Fig.4.(a) In the case of PMMA underlayer protection,the transfer characteristic curve before and after removing the resist from the graphene field effect transistor;(b) output characteristic curves of the optimized graphene field effect transistor at room temperature.

計算去膠后轉移特性斜率得到場效應晶體管的跨導(黑色虛線),在 8 V 左右柵壓下跨導達到最大值0.699 mS/mm.在跨導最大處通過石墨烯場效應遷移率計算公式

得到最大載流子遷移率約為1417 cm2·V–1·s–1.其中晶體管溝道長度L為7 μm;寬度W為350 μm;源漏電壓Vd為0.1 V;Cg為單位面積柵電容,依據(jù)下述公式計算得到值為3.45×10–4F·m–2:

其中,真空介電常數(shù)ε0=8.85×10–12F·m–1,氧化硅的相對介電常數(shù)εr=3.9,介質層厚度d=100 nm.工藝中使用了PMMA 墊層且隨后去膠的石墨烯場效應晶體管的輸出特性曲線如圖4(b)所示,源漏電極之間加–0.5—0.5 V 掃描電壓,在–40,–20,0 和20 V 的柵壓下,得到的I-V曲線處在線性區(qū).據(jù)圖4(b)計算,整個溝道和源漏接觸電阻加在一起為一百多歐姆,表明石墨烯與轉移的金電極接觸良好.

石墨烯直接接觸紫外光刻膠會對其產(chǎn)生嚴重摻雜,并且因此降低載流子遷移率.在對比器件的轉移特性曲線中(見圖5,器件1—3 為使用PMMA做墊層優(yōu)化工藝的器件,器件4 和器件5 為對比實驗中石墨烯直接接觸光刻膠的器件),直接接觸紫外光刻膠的器件狄拉克點出現(xiàn)在Vg=38 V 左右,最大場效應遷移率在1070 cm2·V–1·s–1左右.實驗結果表明,通過PMMA 隔離紫外光刻膠技術進行光刻,狄拉克點偏離零點的程度得到了顯著的改善,狄拉克點電壓Vg降低了22 V,更加接近0 V,溝道材料摻雜顯著降低,并且遷移率提升了32%,器件性能顯著提升.

圖5 有無PMMA 保護工藝過程的石墨烯場效應晶體管轉移特性曲線Fig.5.Transfer characteristic curves of graphene field effect transistors with and without PMMA protection processing.

4 新工藝在micro-LED/石墨烯場效應晶體管單片集成器件中的應用

基于GaN 的micro-LED 自發(fā)光顯示,是下一代新型顯示技術的發(fā)展方向之一,具有低功耗、高分辨率、長壽命等特點.我們課題組首次提出將二維材料石墨烯場效應晶體管與GaN micro-LED單片集成,開辟了二維材料晶體管新的應用方向,但是采用傳統(tǒng)光刻工藝制備的集成器件,受限于石墨烯場效應晶體管性能,導致其對micro-LED的調控作用較差(具體工藝參見文獻[5]).采用傳統(tǒng)紫外光刻膠接觸石墨烯工藝制備的晶體管的跨導為0.0449 mS/mm,最大載流子遷移率僅為469 cm2·V–1·s–1.本文提出的新工藝經(jīng)過分立的石墨烯場效應晶體管驗證,可以有效提升石墨烯晶體管性能,因此下面將其應用到micro-LED/石墨烯場效應晶體管單片集成器件的制備工藝中.集成器件由石墨烯晶體管串聯(lián)一個micro-LED 像素構成,通過石墨烯晶體管對像素進行操縱和驅動,等效電路圖見圖6(a).在最后PMMA 輔助轉移石墨烯至GaN 襯底上進行圖形化的步驟中,采用新工藝使用PMMA 作為墊層進行光刻,避免直接接觸紫外光刻膠,制備石墨烯場效應晶體管,其溝道長度L為12 μm,寬度W為480 μm,源漏電壓Vd為0.1 V,柵介質為300 nm 厚的二氧化硅,單位面積柵介質電容Cg為1.15×10–4F·m2.對石墨烯晶體管和micro-LED 這兩個集成器件組成單元分別進行測試,石墨烯場效應晶體管在室溫下的轉移和輸出特性曲線如圖6 所示.如圖6(a)所示,由于新工藝大大降低了紫外光刻膠引入的嚴重摻雜,器件在–40—40 V 范圍內有出現(xiàn)狄拉克點的趨勢,跨導在Vg=10 V 處達到最大值0.1042 mS/mm,相較于傳統(tǒng)工藝(在Vg=25 V 處達到最大跨導僅為0.0449 mS/mm)得到大幅提升.最大載流子遷移率由傳統(tǒng)光刻工藝的469 cm2·V–1·s–1,提升到了1087 cm2·V–1·s–1.

圖6 室溫下石墨烯場晶體管的場效應特性曲線 (a)轉移曲線(插圖為集成器件等效電路圖);(b)輸出曲線Fig.6.Field effect characteristic curve of graphene transistor at room temperature:(a) Transfer curve (The insert show the equivalent circuit diagram of the integrated device);(b) output curve.

采用氧化銦錫作電流擴展層,制作臺面大小為50 μm×30 μm 的GaN micro-LED 的開啟電壓相較于以前的5.8 V 顯著降低,I-V特性曲線如圖7 所示(插圖為micro-LED 電致發(fā)光的照片),開啟電壓為2.8 V.從圖7 可以看出,該micro-LED在5 V 的正向電壓下工作電流高達為50 mA,這是它高亮度的原因之一.

圖7 GaN micro-LED 的I-V 特性曲線(插圖為5 V 正向電壓下的電致發(fā)光照片)Fig.7.I-V characteristic curve of the GaN micro-LED (The insert shows the light emission photo under 5 V forward voltage).

最后對集成器件進行整體的測試,micro-LED與驅動晶體管串聯(lián)外加5 V 總電壓,柵極加–40,0,20 和40 V 的電壓,得到整體器件的I-V特性曲線,如圖8 所示.對比圖8(a)和圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)在–40—40 V 的柵壓范圍內,采用新工藝后驅動器件對micro-LED 的電流調控能力顯著增強.在外加電壓為5 V 時,Idmax和Idmin的差值達到了9.5 mA,而石墨烯晶體管工藝優(yōu)化前二者的差值不到0.1 mA,可見工藝優(yōu)化后的石墨烯場效應晶體管作為驅動元件控制micro-LED 的能力大大提高.將micro-LED 的I-V特性和石墨烯晶體管的輸出特性曲線繪制在一個圖中,可以確定集成器件的靜態(tài)工作點(亦即交叉點),如圖9 所示.這幅圖的物理意義是,由于晶體管與micro-LED 串聯(lián),所以二者電流相等,也就對應于圖中的交叉點.當調節(jié)柵壓使晶體管電流變化時,相應地也就等于調節(jié)了micro-LED 的電流,當電流調控范圍足夠大時,也就可以控制micro-LED 的開和關.從圖9 可以看出,伴隨著Vg的增大,工作點對應的Vs逐漸降低.當Vg=40 V 時,工作點的Vs接近于micro-LED 的開啟電壓,表明優(yōu)化工藝后石墨烯晶體管的驅動能力大幅提升.該器件有效實現(xiàn)了將micro-LED 與其驅動電路單片集成,免去了巨量轉移.當然,目前只是原理上驗證了用二維材料晶體管驅動micro-LED的可行性,而實驗中采用的晶體管尚不能完全關閉micro-LED.將來采用有禁帶的二硫化鉬等二維半導體材料制備高開關比晶體管,輔以高介電常數(shù)柵介質,并設計更加完備的驅動電路,不僅有開關功能,還有信號補償?shù)裙δ?屆時此類集成器件將在全透明新型micro-LED 顯示技術中發(fā)揮重要作用.

圖8 (a)采用新工藝的集成器件I-V 曲線;(b)傳統(tǒng)光刻工藝集成器件的I-V 曲線Fig.8.I-V characteristic curves of the integrated device:(a) Based on the new process;(b) based on traditional technology.

圖9 集成器件的工作機制(外加總電壓固定為5 V,交叉點為靜態(tài)工作點)Fig.9.Working mechanism of the integrated device (The total applied voltage is fixed at 5 V,and the crossing point is the static working point).

5 結論

紫外光刻膠接觸二維材料產(chǎn)生有機物殘留,引入嚴重摻雜,導致器件性能降低,一直是二維材料走向實際應用道路上亟待解決的難題.本文提出了一種PMMA 薄膜墊層光刻保護石墨烯溝道輸運層的工藝方法,優(yōu)化石墨烯場效應晶體管的工藝流程,并將其作為驅動元件制備在氮化鎵襯底上與GaN micro-LED 串聯(lián)在一起進行單片集成,規(guī)避巨量轉移這一技術難題.在分立的石墨烯場效應晶體管中采用新工藝進行驗證,通過和直接接觸紫外光刻膠的石墨烯器件進行對比,發(fā)現(xiàn)新技術可以顯著降低工藝制備過程中摻雜和缺陷的引入,制備的晶體管的金屬電極和石墨烯接觸良好,在室溫條件下,最大載流子遷移率為1417 cm2·V–1·s–1,跨導為0.699 mS/mm,相比于直接接觸紫外光刻膠的器件狄拉克點的Vg下降了22 V,載流子遷移率提升了32%,器件性能提升較為明顯.隨后將新工藝應用到集成器件的工藝制備過程中,將優(yōu)化工藝的石墨烯場效應晶體管作為驅動電路與GaN micro-LED 進行單片集成,其驅動能力相較于優(yōu)化前得到了大幅度的提升,為二維材料晶體管的下一代顯示應用提供了嶄新的思路.

感謝中國科學院微電子所符亞菲在論文修改中給予的支持.