2023年1月10日 DINGBO CHEN、 YU-CHANG CHEN、 GUANG ZENG、 DAVID WEI ZHANG、 HONG-LIANG LU
Siベースのデバイスでは、システムオンチップの構築においてモノリシック集積化のアプローチが適用されてきました。そのため、パッケージ統合におけるワイヤボンディングの代わりに、モノリシック集積化ではウェハレベルの電極接続がよりコンパクトで高性能なシステムに望まれました。LEDの分野では、成長集積をマイクロLEDディスプレイのモノリシック集積アプローチにまとめています。成長集積は、材料の成長とデバイスの準備が同じウェハ上で行われる組み立てプロセスと定義されています。Siベースのデバイスと同様の目的で、マイクロLEDの成長集積は超小型形状での高周波数と高電流密度に有利でした。本質的には、マイクロLEDアレイ自体がモノリシック集積の一例です。ただし、以下で議論されているのは、フルカラーのための多色LEDの成長集積とLEDおよびピクセル駆動トランジスタ回路の完全なモノリシック集積です。
フルカラーの成長集積
成長集積（growth integration）では、複数の色のLEDが同じ基板上で成長されることでフルカラーが実現されます。しかし、古典的な赤色のAlGaInPベースLEDは、格子定数の不一致が大きいため、GaN材料プラットフォームと一緒に成長させることに課題がありました。したがって、現在のところ、フルカラーの成長集積のほとんどは、異なる色のGaNベースのLEDを組み立てることに頼っています。一方で、インジウム含有量を変化させることで、InGaN/GaN LEDは理論的には青から赤までの全可視光範囲で光を放射することができます。他方で、c平面窒化物LEDのスペクトルは、ナノ構造の製作によって歪みを制御することで調整できると報告されています。上記の原則に基づき、フルカラーのマイクロLEDの成長集積は、ボトムアップとトップダウンの2つの製造技術を用いて行われました。
成長集積（growth integration）の典型的なボトムアップ製造技術の例は、多色多重量子井戸（MQWs）の成長です。単色のMQWsを垂直に積み重ねるか、横方向に分散させることがあります。多くの研究で、広帯域なGaN LEDのために二色または三色のMQWsを垂直に積み重ねたものが報告されています。次図Aは、フルカラーディスプレイ用に垂直に積み重ねられた多色多重量子井戸を持つ典型的なLED構造を示しています。トリカラーレーザーダイオード（LED）ウェハの光ルミネセンス（PL）分光法は、フルカラーの可能性を示しています（次図B）。ただし、上述の結合集積と同様に、積層構成は活性領域間の干渉を引き起こし、デバイスの発光効率と色の品質を低下させます。また、積層構造は多接合の性質のため、十分な受容体を提供しません。これらのMQWsと共通のp電極との間の距離が異なるため、キャリアの注入と再結合は均一ではありません。したがって、LEDの色は注入電流に依存し、図13Cに示されているように、ディスプレイ駆動回路の設計に大きな課題をもたらします。これらの問題に対処するために、ParkらおよびKongらは、次図Dに示すように選択的エリアリグロースにより横方向に分散した緑色と青色のMQWsを実証しました。これにより、青色と緑色の光の混合と変調が実現できます（次図E）。
一方、横方向の構成やp-GaNの絶縁エッチングによる独立した制御の可能性により、異なる色の量子井戸は均一なホール供給を得ることができます。他方、横方向の構造は活性領域間の干渉を軽減することができます。それにもかかわらず、上記の多色多重量子井戸の重ね合わせ成長は、材料の準備とピクセルの製造を複雑化すると考えられています。不均一なウェーハ表面に高品質のエピタキシャル膜を成長させることは依然として課題です。そのため、多段階のSAGによるRGB統合ウェーハの準備に関する関連報告はほとんどありません。
(A) 垂直に積層された活性領域を持つ三色LEDウェハの模式図。 (B) 三色LEDのPL（光ルミネセンス）スペクトルと (C) EL（電界発光）スペクトル。 (D) 横方向に分布した多色多重量子井戸を持つLEDの製造プロセスステップと (E) ELスペクトル。
また、重ねた成長ではなく、同期または1段階の成長が多色LEDの成長集積においてより望ましいです。平面の対応部品とは異なり、多色発光を持つナノワイヤLEDが報告され、同じウェハ上で同期して成長させることができます。2010年には、関口らが青から赤までの発光を持つ統合されたInGaN/GaNナノワイヤアレイを報告しています（次図A参照）。Tiフィルムをマスクとしてパターニングするために電子ビームリソグラフィを使用し、ナノワイヤアレイを選択的に成長させ、ナノワイヤの直径は約10 nmのエッジピッチで137〜270 nmに制御されました。隣接するナノワイヤのビームシャドウ効果と、側壁上のGaおよびInアドマットの拡散長の違いにより、ナノワイヤの直径が大きくなるにつれて、上方に移動するGa原子の量が減少します。Ga原子の取り込みの減少は、InGaNウェルのIn組成の増加をもたらします。より高いIn成分を持つInGaN量子井戸は、より狭いバンドギャップを持ち、大型ナノワイヤLEDはより長い発光波長を示します。上記の集積技術を採用した岸野らは、2013年に緑とオレンジのInGaN/GaNナノワイヤアレイLEDのモノリシック集積を実証しました（次図B）。また、2015年には4色（赤、緑、青、黄）のInGaN/GaNナノワイヤアレイLEDのモノリシック集積を実証しました（次図C）。
さらに、2016年には、Raらが単一のナノワイヤアレイではなく4つの単一のナノワイヤを使用した4色（赤、オレンジ、緑、青）のLEDのモノリシック集積を報告しました（次図D）。単一ナノワイヤのピクセルでは、ナノワイヤのピッチが大きいため、ビームシャドウ効果は考慮されませんでした。ナノワイヤの直径が増加すると、ナノワイヤの上部の表面積が大きくなります。その結果、In原子の横方向の拡散が増強され、Inの含有量が不足し、発光波長が短くなります。次図EとFに示すように、ナノワイヤのサイズが1,970 nmから150 nmに減少すると、発光波長は青から赤の帯域にシフトします。選択的成長中の反応ガスの流れ制御と熱的な分布は、エピタキシャル成長が運動と熱力学の相互作用のプロセスであるため、デバイスの性能の一貫性を確保するための2つの最も重要な要素であることに留意する価値があります。エッチングプロセスの除去により、ナノワイヤベースのLEDは欠陥密度が低く、より良い発光効率を持つと考えられています。しかし、ナノワイヤLEDピクセルは2つの課題に直面しています。第一に、ナノワイヤの横方向の過成長により、In成分を正確に制御することが困難です。第二に、ナノワイヤのピラミッド状の頂部での電気的な相互接続を実現することは困難です。
(A) 異なるサイズのInGaN/GaNナノピラーとそれらの発光波長の図。(B) 赤と緑の発光を持つモノリシックLEDナノカラムアレイの図。(C) モノリシックナノカラムアレイ多色LEDの図。(D) 単一のナノワイヤによって統合されたモノリシック4色ピクセルの図。(E) 異なる直径の単一InGaN/GaNナノワイヤのSEM画像と(F) PLスペクトルの図。
フルカラーディスプレイのためのスケーラブルかつ製造可能な成長集積を開発するために、トップダウンの製造技術が使用されました。これにより、多重のエピタキシャルステップと選択領域成長を回避することができます。2016年に、TengらはInGaN/GaN MQWsにおける歪み誘起赤色-緑色-青色波長チューニングを報告しました。彼らの実験では、32%のIn成分を持つ単一の赤色InGaN/GaN MQWsをc面サファイア基板上に成長させました。次図Aに示すように、電子ビームリソグラフィとRIEで直径40から800 nmのナノピラーLEDがパターニングされました。c面GaN上に成長したMQWsの強い量子束縛スターク効果により、エッチングされたナノピラーの歪み緩和が波束関数の重なりを増強し、それによってスペクトルが青方向にシフトし、より大きな発光強度が生じます。したがって、ナノピラーの直径、つまりナノピラーの歪みによって、波長チューニングは3つの主要色をカバーします。次図Bには、さまざまな直径のナノワイヤのPLスペクトルと発光画像が示されています。
以上の原理に基づいて、Chungらは2017年にチップスケール統合ナノピラーLED多色ピクセルを実証しました。次図Cに示されているように、各色のサブピクセルはナノピラーのアレイで構成されています。ナノピラーのアレイを平坦化するために、スピンオングラスが使用されたことに注意してください。これにより、ナノピラーは標準の平面プロセスと互換性があります。また、ナノピラーLEDの側壁は、スピンオングラスの前にプラズマ増強化学気相成長SiNでパッシベートされました。次図Dには、トップダウンのナノピラーLEDのEL特性が示されています。報告によると、InGaN量子井戸の弾性定数はIn成分に非線形に依存するため、この成長集積における歪み緩和と波長調整は、元の活性領域のインジウム含有量に強く依存します。理論的には、Inのドーピング濃度の調整とリソグラフィとエッチングプロセスの最適化により、LEDのサイズを連続的にナノLEDにスケーリングすることが可能です。ただし、エッチングされた側壁の欠陥制御は、小型デバイスの電光変換効率を確保するためのキーとなります。
(A) 一重のInGaN量子井戸からなる青色発光ナノピラー構造の鳥瞰SEM画像。インセットには、ナノピラーLEDアレイのトップダウン製造の模式図が示されています。 (B) 異なる直径を持つInGaN/GaNナノワイヤのPLおよび発光特性。 (C) 異なる直径のナノピラーLEDを用いたフルカラーピクセルのトップダウン製造の模式図。 (D) 異なる直径のLEDナノワイヤのELおよび発光特性。
以上をまとめると、成長集積技術にはフルカラーディスプレイを実現するための2つの主要なプロセスパスがあります。これらのアプローチの中で、SAG（成長集積法）とSER（SER法）は、高性能なマイクロLED、さらにはナノLEDを実現するための競争力のある2つの手法として考えられています。SAGプロセス（ボトムアップ）の産業化には、成長サイズ、形態、ドーピングの正確な制御が重要です。SERプロセス（トップダウン）の開発には、エッチングサイズの正確な制御、均一性の向上、改良されたパッシベーションが有益です。
