通过双堆叠栅极电介质实现单壁碳纳米管场效应晶体管微弱滞后特性的可扩展验证，以应用于微发光二极管显示器

《physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters》：Scalable Demonstration of Negligible Hysteresis of Single-Walled Carbon Nanotube Field-Effect Transistors via Dual-Stacked Gate Dielectrics for Micro-Light-Emitting Diode Display Application

本研究提出了一种采用SOG/HfO?双层介电结构的单壁碳纳米管晶体管（SWNT FET），有效解决了门诱导迟滞问题。通过系统比较不同介电结构的性能，实验表明双层结构显著降低迟滞电压至0.16V，并实现了高电压增益（≈4.3）的反相器。此外，基于该结构的逻辑门电路（NAND/NOR）和RGB微LED驱动实验均验证了其可靠性，展示了在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）等高分辨率、低功耗显示技术中的应用潜力。

　　随着增强现实（AR）和虚拟现实（VR）市场的快速发展，对这些设备的显示技术提出了更高的要求，包括微型化、超高分辨率以及低功耗。在这一背景下，微发光二极管（micro-LEDs）作为一种有前景的下一代显示技术逐渐受到关注。micro-LEDs因其自发光特性，具有更高的亮度和对比度，能够实现微米级别的像素间距（<5 μm），从而达到每平方英寸超过5000个像素（PPI）的超高分辨率。此外，micro-LEDs的快速响应速度（纳秒级别）使得运动模糊现象得以消除，为高质量视觉体验提供了保障。然而，要实现micro-LEDs的高效驱动，需要高性能的薄膜晶体管（TFTs）来精确控制每个像素的亮度。在超高分辨率显示中，这些TFTs必须在有限的空间内提供足够的驱动电流，同时降低漏电流。传统硅基TFTs由于载流子迁移率较低，限制了其电流驱动能力；而低温多晶硅（LTPS）TFTs虽然迁移率较高，但需要高温工艺（>400°C），这使得它们不适合柔性基板或低温背板工艺。这些限制在用于可穿戴设备如AR/VR头显的紧凑像素micro-LEDs中尤为明显。因此，单壁碳纳米管（SWNT）基晶体管成为一种有吸引力的替代方案，因为它们具有高迁移率、低功耗以及与低温工艺兼容的特性，适合用作micro-LED像素驱动器。然而，SWNT场效应晶体管（FETs）在实际应用中面临的一个关键问题就是由门极引起的滞后效应，这种滞后效应主要源于SWNT表面羟基（OH）基团引起的电荷陷阱。为此，研究者们尝试了多种策略，如使用旋涂玻璃（SOG）作为介电层，以减少羟基的影响。然而，这些方法仍存在一些关键的局限性：1）大多数实验仅集中在单个器件层面的表征，缺乏可扩展性和统计学验证，尤其是在使用纯化SWNT网络的系统中；2）对SOG、HfO?及其混合结构（SOG/HfO?）介电层贡献的系统性比较仍然缺失，这阻碍了对滞后抑制机制的清晰理解；3）更为重要的是，这些介电层策略在功能性逻辑门架构中的集成尚未实现，限制了其在电路层面应用的评估。

为了解决上述问题，本研究引入了一种双层介电结构，结合SOG和HfO?，在顶部门结构中实现了对羟基相关陷阱位点的有效消除，从而显著抑制了滞后效应，提高了器件的电学稳定性。我们系统地比较了具有单层SOG、单层HfO?和SOG/HfO?双层介电层的SWNT FETs的性能，以明确滞后抑制的机制。此外，通过结合直流（DC）和脉冲（pulsed）I–V测量，我们消除了在门电压扫描过程中可能发生的瞬态电荷陷阱效应，从而更准确地提取迁移率，并可靠地评估器件的稳定性。这一策略不仅克服了之前研究中提到的局限性，还使得逻辑门电路（如反相器、NAND和NOR门）的实现成为可能。我们还展示了所制备的逻辑门与micro-LEDs的集成，从而实验验证了SWNT FETs作为micro-LED驱动器的实际应用潜力。值得注意的是，稳定逻辑操作与抑制滞后特性非常适用于下一代显示应用，这些应用需要高速运行和低功耗，这表明本研究提出的方法在AR/VR系统集成方面具有显著的实用性。本研究填补了器件层面性能优化与电路层面可扩展性之间的空白，确立了SWNT FETs作为micro-LED显示背板技术平台的可行性。

在SWNT FETs中，门极电容通常采用平行板模型或圆柱模型进行计算。然而，平行板模型由于对随机网络中SWNTs密度的不确定性，往往低估迁移率。因此，我们采用了更精确的圆柱模型来计算门极电容，从而更准确地提取内在迁移率。根据圆柱模型，考虑纳米管之间的静电耦合，门极电容（C_G）由方程计算得出。在图中，通过线性拟合得到的斜率为8.15 nS·cm·V?1，采用简单的平行板模型提取的内在场效应迁移率为4.21 cm2·V?1·s?1，而采用圆柱模型提取的迁移率则为20.9 cm2·V?1·s?1。此外，通过实验还提取了SOG/HfO?双层结构的内在阈值电压为-0.24 V。图中的插图总结了源极和漏极接触电阻随门极电压的变化情况，进一步证明了双层介电结构对器件性能的提升。

为了展示电路层面的可扩展性，我们设计并实现了基于SWNT FETs的增强负载反相器，其中包含一个二极管连接的负载，以及基于SWNT FETs的两个输入NAND和NOR门，使用电阻负载进行构建。反相器由驱动晶体管（W/L = 300/10 μm）、负载晶体管（W/L = 40/10 μm）、一个连接门极的二极管（W/L = 20/10 μm）和一个1 pF的自举电容组成。NAND和NOR门则由一个拉电流网络（W/L = 100/10 μm）和一个拉电流网络（W/L = 200/20 μm）构成。图展示了反相器的电路原理图和光学显微镜图像。自举电容在反相器中起到关键作用，通过电容补偿场效应晶体管的阈值电压，从而减少输出低电压的下降。此外，在输出信号从高电平切换到低电平的过程中，自举结构可以增强开关操作，有效减少下降时间。这些特性有助于减少开关损耗，提高反相器的整体功耗效率。图展示了反相器在不同供电电压（V_DD）范围（1至4 V）下的电压传输特性，随着V_DD的增加，输出电压摆幅和电压增益也相应提升。特别值得注意的是，在V_DD = 4 V时，反相器的最大增益（dV_out/dV_in）达到了约4.3，这表明反相器具有优异的性能。这些结果清楚地表明，自举结构在改善反相器的开关行为和功耗效率方面非常有效。图还展示了NAND和NOR门的电路原理图和光学显微镜图像。这两个逻辑门均采用具有SOG/HfO?双层介电层的p型SWNT FETs，并在V_DD = 5 V的供电电压下进行表征。输入信号V_IN-A和V_IN-B分别设置为0和5 V，代表逻辑“0”和“1”，并测量了所有可能的输入组合对应的输出响应，以验证NAND和NOR的逻辑操作是否正确。图显示了NAND和NOR门的输出电压特性。NAND门仅在两个输入均为“1”时输出“0”，而在其他输入状态下输出“1”，这验证了典型的NAND行为。相反，NOR门仅在两个输入均为“0”时输出“1”，而在其他情况下输出“0”。这些结果表明，基于SWNT FETs的逻辑门能够可靠地执行逻辑操作，验证了其在实际数字电路应用中的潜力。此外，这些发现也间接证明了SOG/HfO?双层介电层对提高开关性能和增强器件可靠性的有效性。

我们还设想并实验验证了利用所提出的SWNT FETs和基于SWNT FETs的反相器驱动micro-LEDs的应用技术。图展示了由SWNT FETs驱动的micro-LEDs的示意图和光学图像。在此演示中，红、绿、蓝三种micro-LEDs分别由对应的SWNT FETs驱动。图展示了micro-LEDs的电流–电压（I–V）特性，以及在不同门极–源极电压（V_GS）范围内（-3至-6 V）的SWNT FETs驱动电流水平。通过分析这些特性，我们可以确定micro-LEDs在SWNT FETs驱动下的工作点，这些点反映了micro-LEDs在不同驱动条件下的实际状态。图展示了在这些工作点下micro-LEDs的发光强度，随着门极电压的增加，发光强度逐渐增强，这表明随着SWNT FETs的漏电流增加，更多的正向电流被供给micro-LEDs，从而提升了其亮度。此外，当漏电流为50 μA时，我们的设备相较于之前报道的SWNT–TFT–LED设备，功耗降低了高达82%，这证明了其在低功耗方面的卓越性能。随后，我们使用基于SWNT FETs的反相器评估了micro-LEDs的交流开关行为。图展示了将micro-LEDs连接到反相器输出端的电路配置。在此设置中，输入电压的切换导致输出电压的反转，从而使得micro-LEDs周期性地开启和关闭，这一现象已通过实验得到验证。图比较了在连接和不连接micro-LEDs的情况下反相器的输出电压特性。当micro-LEDs未连接时，反相器表现出标准的反转行为；而当micro-LEDs连接时，由于开启micro-LEDs所需的阈值电压，输出端出现了电压降。这种行为表明micro-LEDs负载对反相器动态输出的影响。为了评估自举反相器的动态特性，我们施加了5 V、500 Hz的方波输入信号。测量得到的10%至90%上升和下降时间分别为0.73和0.46 ms。我们进一步研究了高频率操作，通过SPICE模型对测量的直流传输曲线进行校准，并结合一个13 pF∥1 MΩ的负载（代表示波器探头和输出端的电气互连）进行模拟。当驱动频率从10 kHz扫至1 MHz时，输出摆幅逐渐下降，分别在100 kHz和1 MHz时降至约3.3 V和约1.1 V。这种性能下降归因于传播延迟的增加以及输出节点电荷充放电的不完全。图展示了在这些操作条件下micro-LEDs的实际发光图像，清楚地展示了不同输入电压下的开启行为。这些结果验证了基于SWNT FETs的电路能够精确控制micro-LEDs的运行。总而言之，这些发现强烈表明，基于一维碳纳米管的电子器件在未来显示技术中具有巨大潜力，尤其是在高分辨率micro-LED显示系统中。本研究展示了其在柔性电子和先进显示技术中的应用前景，并为未来大规模集成电路技术中SWNT FETs的可靠性和可扩展性提供了关键的平台支持。