GaN基Micro LED由于具有高亮度、高穩(wěn)定性、長壽命和低功耗等優(yōu)點，被認(rèn)為是繼LCD和OLED之后，最具潛力的下一代顯示技術(shù)。在顯示應(yīng)用中，通常需要驅(qū)動電路與Micro LED通過異質(zhì)集成以達(dá)到對單個像素控制的目的，研究更高效可靠的Micro LED與驅(qū)動電路的集成方式對顯示應(yīng)用有著重要的意義。

近日，南京大學(xué)莊喆、劉斌團隊提出了一種GaN基Micro LED用準(zhǔn)垂直MOSFET驅(qū)動的全氮化物單片集成方法，實現(xiàn)了對不同尺寸Micro LED芯片的電流驅(qū)動。相關(guān)研究工作近期以“Monolithic integration of GaN-based green Micro LED and quasi-vertical MOSFET utilizing a hybrid tunnel junction”為題發(fā)表在《IEEE Electron Device Letters》上。

圖 (a) GaN Micro LED/MOSFET集成器件示意圖。圖 (b) 130μm直徑MOSFET輸出曲線。圖 (c) 在不同柵壓下，60 μm直徑Micro LED/MOSFET集成單元的發(fā)光圖。圖 (d) 在不同柵壓下，60 μm直徑Micro LED/MOSFET集成單元的IV及LOP特性。

研究亮點

GaN基Micro LED與其驅(qū)動（如HEMT、MOSFET等）的同質(zhì)集成能充分發(fā)揮出GaN材料的優(yōu)勢，獲得更快開關(guān)速度、更高耐溫耐壓能力以及更高效率的Micro LED集成單元，其在Micro LED透明顯示、柔性顯示以及可見光通訊中都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。然而大部分的同質(zhì)集成都需要選擇性外延生長或者精確控制刻蝕深度，這大大增加了制備的難度和成本。

南京大學(xué)研究團隊利用MBE在商用LED外延片上二次生長了高質(zhì)量的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，隧道結(jié)一方面作為Micro LED的電流擴展層，一方面可與p-n結(jié)LED共同構(gòu)成準(zhǔn)垂直npn型MOSFET。制備過程中僅需采用一步刻蝕即可同時定義出Micro LED發(fā)光面積和MOSFET的溝道長度，通過n型GaN橫向連接實現(xiàn)Micro LED與準(zhǔn)垂直MOSFET的同質(zhì)集成。GaN基MOSFETs具備與氧化物薄膜晶體管類似的電流驅(qū)動能力，并且整體集成方案制備難度較低，易與現(xiàn)有芯片結(jié)構(gòu)與制備工藝兼容。

對于60 μm直徑的 Micro LED /MOSFET集成單元，當(dāng)MOSFET的柵壓為16V，Micro LED陽極電壓為5V時，流經(jīng)Micro LED的電流達(dá)到0.3 mA (10 A/cm2)，其輸出光功率達(dá)到0.12 mW (4.2 W/cm2)，完全能夠滿足Micro LED顯示要求。該研究為未來全氮化物光電集成在柔性Micro LED顯示、透明顯示以及可見光通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了一種新的技術(shù)路線。
論文信息

南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生桑藝萌為文章的第一作者，博士研究生張東祺對本文亦有重要貢獻(xiàn)。南京大學(xué)集成電路學(xué)院莊喆助理教授、電子科學(xué)與工程學(xué)院劉斌教授為該文章的共同通訊作者。南京大學(xué)張榮教授、王欣然教授、王科教授、陶濤副教授對該工作的外延生長和器件工藝等進(jìn)行了深入指導(dǎo)。

這項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金前沿技術(shù)計劃、江蘇省自然科學(xué)基金和中央高?；A(chǔ)研究基金等基金項目的資助。同時這項工作得到了南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、江蘇省先進(jìn)光電材料重點實驗室與南京大學(xué)微制造與集成工藝中心的支持。（來源：南京大學(xué)集成電路學(xué)院）