南京大学团队实现Micro LED用准垂直MOSFET驱动的全氮化物单片集成

GaN基Micro-LED由于具有高亮度、高稳定性、长寿命和低功耗等优点，被认为是继LCD和OLED之后，最具潜力的下一代显示技术。在显示应用中，通常需要驱动电路与Micro-LED通过异质集成以达到对单个像素控制的目的，研究更高效可靠的Micro-LED与驱动电路的集成方式对显示应用有着重要的意义。

近日，南京大学庄喆、刘斌团队提出了一种GaN基Micro-LED用准垂直MOSFET驱动的全氮化物单片集成方法，实现了对不同尺寸Micro-LED芯片的电流驱动。相关研究工作近期以“Monolithic integration of GaN-based green micro-LED and quasi-vertical MOSFET utilizing a hybrid tunnel junction”为题发表在《IEEE Electron Device Letters》上。

图 (a) GaN Micro-LED/MOSFET集成器件示意图。图 (b) 130μm直径MOSFET输出曲线。图 (c) 在不同栅压下，60 μm直径Micro-LED/MOSFET集成单元的发光图。图 (d) 在不同栅压下，60 μm直径Micro-LED/MOSFET集成单元的IV及LOP特性。

研究亮点

GaN基Micro-LED与其驱动（如HEMT、MOSFET等）的同质集成能充分发挥出GaN材料的优势，获得更快开关速度、更高耐温耐压能力以及更高效率的Micro-LED集成单元，其在Micro-LED透明显示、柔性显示以及可见光通讯中都展现出巨大的应用前景。然而大部分的同质集成都需要选择性外延生长或者精确控制刻蚀深度，这大大增加了制备的难度和成本。

南京大学研究团队利用MBE在商用LED外延片上二次生长了高质量的隧道结结构，隧道结一方面作为Micro-LED的电流扩展层，一方面可与p-n结LED共同构成准垂直npn型MOSFET。制备过程中仅需采用一步刻蚀即可同时定义出Micro-LED发光面积和MOSFET的沟道长度，通过n型GaN横向连接实现Micro-LED与准垂直MOSFET的同质集成。GaN基MOSFETs具备与氧化物薄膜晶体管类似的电流驱动能力，并且整体集成方案制备难度较低，易与现有芯片结构与制备工艺兼容。对于60 μm直径的 Micro-LED /MOSFET集成单元，当MOSFET的栅压为16V，Micro-LED阳极电压为5V时，流经Micro-LED的电流达到0.3 mA (10 A/cm2)，其输出光功率达到0.12 mW (4.2 W/cm2)，完全能够满足Micro-LED显示要求。该研究为未来全氮化物光电集成在柔性Micro-LED显示、透明显示以及可见光通信等领域中的应用提供了一种新的技术路线。

论文信息

南京大学电子科学与工程学院博士研究生桑艺萌为文章的第一作者，博士研究生张东祺对本文亦有重要贡献。南京大学集成电路学院庄喆助理教授、电子科学与工程学院刘斌教授为该文章的共同通讯作者。南京大学张荣教授、王欣然教授、王科教授、陶涛副教授对该工作的外延生长和器件工艺等进行了深入指导。

这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金前沿技术计划、江苏省自然科学基金和中央高校基础研究基金等基金项目的资助。同时这项工作得到了南京大学电子科学与工程学院、江苏省先进光电材料重点实验室与南京大学微制造与集成工艺中心的支持。