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南京大學團隊開辟 Micro LED 全氮化物單片集成新路徑
來源：
時間：2024-09-25 10:40:45
在當今科技飛速發(fā)展的時代，顯示技術的不斷創(chuàng)新成為推動各領域進步的關鍵力量。GaN 基 Micro-LED 以其高亮度、高穩(wěn)定性、長壽命和低功耗等顯著優(yōu)勢，被廣泛認為是繼 LCD 和 OLED 之后最具潛力的下一代顯示技術。在顯示應用中，實現(xiàn)驅動電路與 Micro-LED 的高效集成，以達到對單個像素的精準控制，具有至關重要的意義。
近日，南京大學莊喆、劉斌團隊獨辟蹊徑，提出了一種 GaN 基 Micro-LED 用準垂直 MOSFET 驅動的全氮化物單片集成方法，成功實現(xiàn)了對不同尺寸 Micro-LED 芯片的電流驅動。相關研究工作近期以 “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，猶如一顆璀璨的新星，照亮了 Micro-LED 領域的發(fā)展之路。
研究亮點令人矚目。GaN 基 Micro-LED 與其驅動（如 HEMT、MOSFET 等）的同質(zhì)集成，能夠充分發(fā)揮 GaN 材料的獨特優(yōu)勢，打造出具有更快開關速度、更高耐溫耐壓能力以及更高效率的 Micro-LED 集成單元。在 Micro-LED 透明顯示、柔性顯示以及可見光通訊等領域，這種集成方式展現(xiàn)出了巨大的應用前景。然而，以往大部分的同質(zhì)集成都需要進行選擇性外延生長或者精確控制刻蝕深度，這無疑大大增加了制備的難度和成本。
南京大學研究團隊另起爐灶，巧妙地利用 MBE 在商用 LED 外延片上二次生長出高質(zhì)量的隧道結結構。這個隧道結一方面充當 Micro-LED 的電流擴展層，另一方面可與 p-n 結 LED 共同構成準垂直 npn 型 MOSFET。在制備過程中，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動能力，并且整體集成方案制備難度較低，易于與現(xiàn)有芯片結構與制備工藝兼容。對于 60μm 直徑的 Micro-LED /MOSFET 集成單元，當 MOSFET 的柵壓為 16V，Micro-LED 陽極電壓為 5V 時，流經(jīng) Micro-LED 的電流達到 0.3mA（10A/cm2），其輸出光功率達到 0.12mW（4.2W/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域中的應用提供了一種嶄新的技術路線，為 Micro-LED 技術的發(fā)展注入了強大的動力。
論文信息方面，南京大學電子科學與工程學院博士研究生桑藝萌為文章的第一作者，博士研究生張東祺亦有重要貢獻。南京大學集成電路學院莊喆助理教授、電子科學與工程學院劉斌教授為該文章的共同通訊作者。南京大學張榮教授、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行了深入指導。這項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金前沿技術計劃、江蘇省自然科學基金和中央高校基礎研究基金等基金項目的資助，同時也得到了南京大學電子科學與工程學院、江蘇省先進光電材料重點實驗室與南京大學微制造與集成工藝中心的大力支持。
近日，南京大學莊喆、劉斌團隊獨辟蹊徑，提出了一種 GaN 基 Micro-LED 用準垂直 MOSFET 驅動的全氮化物單片集成方法，成功實現(xiàn)了對不同尺寸 Micro-LED 芯片的電流驅動。相關研究工作近期以 “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，猶如一顆璀璨的新星，照亮了 Micro-LED 領域的發(fā)展之路。
研究亮點令人矚目。GaN 基 Micro-LED 與其驅動（如 HEMT、MOSFET 等）的同質(zhì)集成，能夠充分發(fā)揮 GaN 材料的獨特優(yōu)勢，打造出具有更快開關速度、更高耐溫耐壓能力以及更高效率的 Micro-LED 集成單元。在 Micro-LED 透明顯示、柔性顯示以及可見光通訊等領域，這種集成方式展現(xiàn)出了巨大的應用前景。然而，以往大部分的同質(zhì)集成都需要進行選擇性外延生長或者精確控制刻蝕深度，這無疑大大增加了制備的難度和成本。
南京大學研究團隊另起爐灶，巧妙地利用 MBE 在商用 LED 外延片上二次生長出高質(zhì)量的隧道結結構。這個隧道結一方面充當 Micro-LED 的電流擴展層，另一方面可與 p-n 結 LED 共同構成準垂直 npn 型 MOSFET。在制備過程中，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動能力，并且整體集成方案制備難度較低，易于與現(xiàn)有芯片結構與制備工藝兼容。對于 60μm 直徑的 Micro-LED /MOSFET 集成單元，當 MOSFET 的柵壓為 16V，Micro-LED 陽極電壓為 5V 時，流經(jīng) Micro-LED 的電流達到 0.3mA（10A/cm2），其輸出光功率達到 0.12mW（4.2W/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域中的應用提供了一種嶄新的技術路線，為 Micro-LED 技術的發(fā)展注入了強大的動力。
論文信息方面，南京大學電子科學與工程學院博士研究生桑藝萌為文章的第一作者，博士研究生張東祺亦有重要貢獻。南京大學集成電路學院莊喆助理教授、電子科學與工程學院劉斌教授為該文章的共同通訊作者。南京大學張榮教授、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行了深入指導。這項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金前沿技術計劃、江蘇省自然科學基金和中央高校基礎研究基金等基金項目的資助，同時也得到了南京大學電子科學與工程學院、江蘇省先進光電材料重點實驗室與南京大學微制造與集成工藝中心的大力支持。
