柔性半導體新突破：傳輸速度已足夠驅動OLED像素

將二硫化鉬作為 2D 半導體材料有一項非常優異的性能，那就是它們很容易彎曲。電子在這樣的半導體中可以快速移動。同時，因為只有大約一個原子的厚度，這類半導體是透明的。這些特點讓它們成為製作柔性 OLED 顯示屏的理想材料。然而，當生產商試圖將二硫化鉬加工到控制 OLED 像素的晶體管中時，二硫化鉬（MoS2）與晶體管的源極和漏極之間的電阻將會過高，使得這種優異的材料無法得到應用。

現在，韓國的工程師找到一種辦法, 可以將二硫化鉬晶體管應用到可彎曲的 OLED 顯示屏中。他們使用這種晶體管，在厚度僅為 7 微米的塑料片上組成一個簡單的 6×6 的點陣，這片塑料片可以貼在人的皮膚上。這個簡單的塑料片顯示屏非常柔軟，用小於 1 厘米的彎曲半徑來折彎也不會損壞。

首爾延世大學的柔性電子專家 Jong-Hyun Ahn 解釋說，「載流子遷移率（Carrier mobility）」是他們需要攻關的重點性能。這項性能衡量的是電荷通過半導體的速率。舉個例子，用於製造大多數晶元的材料——晶體硅的載流子遷移率為 1400 平方厘米/伏-秒（cm2/V-s）。組成顯示屏背板的半導體是用於開關和點亮像素的系統，它們所需的載流子遷移率必須能夠驅動足夠的電流來操作這些像素，還要滿足視頻碼率的要求。「對於傳統的 LCD 液晶顯示屏，它們的背板可以用載流子遷移率較低的非晶硅來製作。」Ahn 說，這種材料的電子遷移率大約為1平方厘米/伏-秒。但是 OLED 顯示屏需要更高的載流子遷移率。包括 LG 和三星在內的 OLED 顯示屏生產商使用遷移率較高的材料，例如多晶硅（>10 平方厘米/伏-秒）和氧化物半導體等。但是 ，「這些材料是硬且脆的。」Ahn 說道。它們可以彎曲到一定程度，但是不能重複彎曲。

圖 | 具有高遷移率的二硫化鉬TFT晶體管的原理圖，鈍化層由三氧化二鋁構成

一個二硫化鉬晶體管被兩層三氧化二鋁（Al2O3）從上下兩個方向夾住。這種裝置遷移率高，而高遷移率對於為 OLED 顯示屏的像素輸送電流來說至關重要。要製作超薄的柔性 OLED 顯示屏，Ahn及其團隊需要將二硫化鉬從將它「抓住」的晶體管里釋放出來。Ahn 說：「二硫化鉬與晶體管電極之間的接觸電阻非常高，高電阻會降低二硫化鉬晶體管的載流子遷移率。」

解決問題的關鍵在於認識到 2D 半導體非常容易受到周圍材料的影響。不同於常用的將晶體管安放在氧化硅表面上的手段，Ahn 的團隊使用的材料表面非常光滑，易於控制。他們把晶體管夾在兩層絕緣的鋁氧化物中。三氧化二鋁和二硫化鉬的接觸面增加了半導體中的電子，類似往硅材料中摻雜化學物質讓它成為半導體的現象。這種增強效果克服了接觸電阻高的問題，提高了電荷載流子遷移率。除此之外，光滑的介電材料不會產生可能困住電荷的斑點（spot），進一步將遷移率提高到 17 到 20 平方厘米/伏-秒。

Ahn 及其團隊接下來希望製造一塊智能手錶或智能手機大小的柔性屏。他們於本周向 Science Advances 期刊報告了這項發明。