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

近日，南京大學莊喆、劉斌團隊提出了一種GaN基Micro LED用準垂直MOSFET驅動的全氮化物單片集成方法，實現了對不同尺寸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與其驅動（如HEMT、MOSFET等）的同質集成能充分發揮出GaN材料的優勢，獲得更快開關速度、更高耐溫耐壓能力以及更高效率的Micro LED集成單元，其在Micro LED透明顯示、柔性顯示以及可見光通訊中都展現出巨大的應用前景。然而大部分的同質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。

南京大學研究團隊利用MBE在商用LED外延片上二次生長了高質量的隧道結結構，隧道結一方面作為Micro LED的電流擴展層，一方面可與p-n結LED共同構成準垂直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發光面積和MOSFET的溝道長度，通過n型GaN橫向連接實現Micro LED與準垂直MOSFET的同質集成。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，易與現有芯片結構與制備工藝兼容。

對于60 μm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Micro LED的電流達到0.3 mA (10 A/cm2)，其輸出光功率達到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域中的應用提供了一種新的技術路線。

論文信息

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，博士研究生張東祺對本文亦有重要貢獻。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。同時這項工作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支持。（文：南京大學集成電路學院）