文章背景

单片集成的氮化镓开关器件与Micro-LED器件共享同一个材料平台，显然比异构集成结构更具优势。将氮化镓晶体管和LED集成在同一外延片上，可以实现高功率和高效的电压控制以调制可见光发射，同时消除互连、减少像素间距。基于氮化镓的LED器件效率提升高达80%，长期可靠性提升，可实现微米尺度制造（小于5µm）。以前氮化镓LED与氮化镓晶体管的单片集成，是在氮化镓LED的一侧进行二次氮化镓晶体管结构生长，并将LED和晶体管互连。这种集成方法对器件性能有影响，其因二次生长杂质、器件间距以及复杂的工艺流程而具有挑战性。在本项工作中，我们讨论了非常适合现有LED工艺流程的单片平面栅控LED结构的设计及特点。与单独LED相比，该设计的开关充电量要低得多，并消除了驱动电路提供LED驱动电流和存储电荷的要求。利用这种设计，降低控制电流和控制电路的复杂性，可实现在未来智能多功能显示中的应用。

文章概述

本文介绍了单片集成三端栅控III族氮化物发光二极管器件的设计和特点。分析了通道掺杂和厚度对晶体管-LED混合器件压降的影响，结果表明，通过适当的设计，可以实现集成栅控LED结构的低电压降。研究了器件设计对开关电荷的影响，与单独LED相比，采用集成LED-晶体管结构可以将LED显示器件运行所需的开关电荷降低一个数量级。

器件设计原理图如图1所示，器件总长度为8µm。该器件由一个金属半导体场效应晶体管（MESFET）和GaN/InGaN异质结LED构成。对于p-down结构，发光晶体管（LET）采用如图1(a)所示的底部隧道结结构，在顶部表面形成n型导电区域，这又可为n通道晶体管构建一个导电通道。据报道，p-down LED（使用底部隧道结）能低电压启动、载流子注入活性区域障碍低。我们注意到，这里的分析也适用于两个具有顶部隧道结的p-up器件。

图1发光晶体管的二维示意图：（a）P-down结构(b) P-up结构

模拟器件p-down结构包含一个位于氮化镓同质结TJ顶部的In_0.25Ga_0.75N QW LED和一个集成在顶部的横向耗尽模式MESFET晶体管。完全透明的同质结TJ设计已经可实现LED低开启电压，并降低压降。通过夹在两个未掺杂的氮化镓势垒层之间的3 nm In_0.25Ga_0.75N单量子阱，在同质结TJ上方构成了一个绿光（520nm）LED。在InGaN QW中，极化电荷产生内置电场，因此在这个设计中，LED不需要额外的AlGaN阻挡层。

在重掺杂的n型电流扩散层顶部形成一个氮化镓MESFET，它形成在LED之上。采用半绝缘（SI）阻挡层设计，实现了对晶体管源极的垂直电子阻挡。这种在源极和栅极下方的阻挡层可以通过离子注入引入类似受体的陷阱来实现，通常使用氮离子或氦离子，其浓度大于背景浓度。这将产生一个从源极到漏极的垂直电子阻塞通道，但允许电子通过一个狭窄的横向通道流动。合适的厚度和陷阱密度是为了确保在源极和漏极之间没有垂直电流流动。

MESFET三维示意图如图2(a)所示。我们可以得到晶体管在常开状态（V_GS = 0）栅偏置下的压降V_ch估计值，如图2(b)所示。通道最大厚度受限于氮化镓完全耗尽时的击穿场F_BR，即a_max=F_BRϵ/qN_d1。由于氮化镓相对较高的击穿场（3.3MVcm⁻¹），这里考虑的实际通道厚度仍然低于a_max。从图中我们观察到，a=50 nm时，将通道掺杂降低到10¹⁸cm⁻³以下，将显著增加通道的压降。然而，增加通道掺杂超过3×10¹⁸cm⁻³时，会增加金属-半导体肖特基结附近的电场，如图2(b)中标记的点所示。因此，对于小面积Micro-LED（L_LED<5µm），这里采用了通道掺杂浓度为10¹⁸cm⁻³，厚度为50 nm，来实现低通道电阻和强栅极控制。

图2 (a) MESFET 的三维示意图(b) 不同沟道厚度和电流下的沟道电压与掺杂浓度的关系。标记表示掺杂水平，超过该水平，沟道会在完全耗尽时断开。(c) 沟道在不同栅极长度下的沟道电压与 LLED 的关系。(d) 不同沟道厚度下的沟道电压与 LLED 的关系。(e) 估计的最小电流扩散层厚度与掺杂浓度的关系

具有更大面积的Micro-LED（5µm<L_LED<20µm）需要更高的晶体管电流额定值（I_D）来维持J_LED。用相同的通道电阻，增加I_D会导致通道电压（V_ch）增加。图2(c)和(d)分别显示了在不同栅极长度（L_G）和通道厚度(a)下，计算出的V_ch与L_LED的关系图。从这两个图中，我们观察到，器件压降随着Micro-LED面积的增加而增加。因此，对更大面积的Micro-LED来说，通过更小的L_G和（或）更高的通道厚度来降低通道电阻是必要的。

图2(e)显示，在导通电流为100Acm⁻²和1kAcm⁻²条件下，计算出的t_min与掺杂浓度关系。可以发现，更大的距离和（或）更高的电流密度时，电流扩散变得越来越困难。因此，我们选择了L_LED=4µm、t = 200 nm和N ⁺ _d2 = 5×10¹⁹cm⁻³作为该层的设计参数。在导通电流为100Acm⁻²时，电流扩散良好。然而，对于1kAcm⁻²电流，我们预计压降将超过kT。

文章总结

文章中设计了一个单片集成式MESFET控制的520 nm LED，用于Micro-LED显示。设计的MESFET栅极同时控制LED活性区域内的电子流，这反过来控制LED的发光面轮廓。该设计能用一个外延步骤来实现LED的高功率、高效电压调制。仿真结果显示，在100Acm⁻²和1kAcm⁻²时，能为高动态范围的显示器件提供高开关电流比（通过模拟可以得到大于10⁶）。器件的低截止电流（<1mAcm⁻²），允许显示像素呈现真正的黑色状态。瞬态模拟估算出了器件纳秒尺度的上升、下降时间延迟，能实现大型Micro-LED阵列的多路复用和高刷新率。文章提出的集成晶体管LED的开关电荷明显低于独立LED的开关电荷。虽然三端LED器件相比独立LED确实引入了过高的电压，但它可以大大降低Micro-LED显示应用控制电路的复杂性。

文章信息

第一作者：Mohammad Awwad

通信作者：Betty Lise Anderson and Siddharth Rajan

通讯单位：Department of Electrical and Computer Engineering, The Ohio State University, Columbus, OH 43210, United States of America

文章题目：Design and simulation of a III-Nitride light emitting transistor

国家第三代半导体技术创新中心（苏州）  译