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突破 Micro LED 驱动瓶颈！北大联合团队研制首款碳纳米管背板微显示器，键合成功率 100%
来源：
时间：2025-09-25 10:34:39
在 Micro LED 向 AR/VR、智能穿戴等领域加速渗透的过程中，驱动背板的 “高性能” 与 “低成本” 始终难以平衡 —— 当前主流的硅基 CMOS 驱动背板虽能满足高分辨率需求，但制造成本昂贵；低温多晶硅（LTPS）、金属氧化物薄膜晶体管等方案又在驱动性能或规模化工艺上存在短板，而二维半导体 TFT 技术则受限于材料生长与转移难题。6 月 13 日，这一行业困境迎来重大突破：北京大学碳基电子学研究团队联合山西北大碳基薄膜电子研究院、南京大学，成功研制出全球首款碳纳米管背板驱动的 Micro LED 微显示器，相关成果以 “碳纳米管有源矩阵背板驱动的 Micro-LED 微显示器” 为题，在线发表于国际权威期刊《ACS Nano》，被审稿人评价为 “迄今为止展示的性能最强的碳纳米管驱动的 LED 显示器”。
作为显示技术的 “终极方案” 之一，Micro LED 凭借小于 50μm 的超小尺寸、高亮度、高对比度、低功耗与长寿命等优势，在 AR/VR 高分辨率显示、高端电视、智能穿戴设备等领域拥有巨大商用价值。但这类应用对驱动背板的集成度、电流驱动能力提出了极高要求，传统方案始终无法完美适配 —— 硅基 CMOS 技术成本居高不下，难以满足消费级产品的性价比需求；LTPS 和金属氧化物薄膜晶体管的载流子迁移率、开态电流有限，难以驱动高密度 Micro LED 阵列；MoS₂等二维半导体 TFT 虽被寄予厚望，却因材料规模化生长与转移技术不成熟，迟迟无法落地。
而碳纳米管薄膜晶体管（CNT-TFT）的出现，为解决这一矛盾提供了全新路径。这类晶体管天生具备高载流子迁移率、高电流驱动能力与高集成度的优势，尤其近年来随着高纯度半导体碳纳米管薄膜规模化制备技术、大规模低温制备工艺的成熟，CNT-TFT 逐渐成为 Micro LED 驱动背板的 “理想候选”。北大联合团队正是抓住这一技术机遇，通过多维度工艺优化，让碳纳米管驱动的 Micro LED 从实验室概念走向了实际应用。
在 CNT-TFT 性能优化上，团队创新性引入 Al₂O₃/SiO₂栅介质叠层与 Y₂O₃/SiO₂/PI 钝化层，大幅提升了晶体管的电学性能：采用常规紫外光刻制备的 3μm 沟道长度 CNT-TFT，开态电流达 10μA/μm，迁移率达 27cm²/(V・s)，足以支撑数百 PPI 分辨率的 Micro LED 显示驱动；而将沟道长度缩小至 0.5μm 后，器件开态电流飙升至 80μA/μm，迁移率提升至 40cm²/(V・s)，直接满足数千 PPI 超高清显示需求 —— 这一性能水平不仅远超传统 LTPS、金属氧化物晶体管，更能适配 AR/VR 设备对 “视网膜级显示” 的苛刻要求。
要实现 Micro LED 的实际显示，驱动背板与芯片的高效集成同样关键。团队开发了基于铟柱的共晶键合工艺，通过精准控制键合温度与压力，实现 2T1C（两个晶体管加一个电容）结构 CNT-TFT 驱动背板与 Micro LED 芯片的异质集成，键合成功率达到 100% —— 这一数据意味着在规模化生产中，不会因键合失误导致器件损耗，为降低制造成本提供了重要保障。同时，团队还针对性开发了像素驱动电路与外围控制电路，支持脉冲幅度调制（PAM）和脉冲宽度调制（PWM）两种驱动方式，既能灵活适配不同亮度、对比度需求的显示场景，又能确保图像显示的稳定性。
最终，联合团队成功制备并演示了首款碳纳米管有源矩阵背板驱动的 Micro LED 微显示器，可稳定实现静态与动态图像显示。这一成果不仅验证了碳纳米管在先进显示驱动领域的应用潜力，更打破了传统驱动背板技术的局限：相较于硅基 CMOS 方案，碳纳米管背板的制备工艺更简单、成本更低；对比 LTPS 与金属氧化物方案，其驱动性能与集成度又显著更优，为 Micro LED 微显示器的商业化提供了 “高性能 + 低成本” 的双重优势。
从行业视角来看，北大联合团队的研究为 Micro LED 显示技术开辟了全新技术路径。当前全彩 Micro LED 的发展不仅受限于芯片本身的效率与巨量转移技术，驱动背板的性能与成本也是关键制约因素。而碳纳米管背板的突破，恰好补上了这一短板 —— 未来随着工艺进一步优化，有望推动 Micro LED 在 AR 眼镜、智能隐形眼镜、微型可穿戴设备等领域的快速落地，让 “超高清、低功耗、轻量化” 的显示体验走进日常生活。
据悉，该研究得到国家自然科学基金、山西省科技重大专项计划、国家重点研发计划等项目的资助，同时获得固态照明与节能电子学协同创新中心、江苏省高等教育机构优先学科发展项目的支持。北京大学博士生黎怡、南京大学博士后郭焱为成果共同第一作者，北京大学梁学磊教授、曹宇副研究员与南京大学周玉刚教授为共同通讯作者，体现了跨机构、跨学科协作在前沿技术突破中的重要价值。
