2023年1月10日　DINGBO CHEN、 YU-CHANG CHEN、 GUANG ZENG、 DAVID WEI ZHANG、 HONG-LIANG LU 

成長集積は、マイクロLEDとそれらの駆動トランジスタのモノリシック集積を実現するための効果的な方法でもあります。GaNベースのフィールド効果トランジスタ（FET）は、共通のGaN材料プラットフォーム上でマイクロLEDとのインシチュー電気接続を実現できるため、駆動回路に適しています。Liらは、Ga N内にモノリシックに統合されたLEDと金属酸化物半導体チャネル高電子移動度トランジスタ（MOSC-HEMT）を最初に報告しました（次図A）。彼らの実験では、LED構造がHEMT層の上に直接成長されました。LEDのエピタキシャル層を選択的にエッチングした後、HEMTが製造され、LEDと直列に接続されました。この研究では、統合されたMOSC-HEMTのゲート電圧を変化させることで、LEDの光出力を制御することができました。簡素なエピタキシャル構造を実現するために、LeeらはGaNベースのLEDとレータルGaN MOSFETのモノリシック集積を報告しました。追加の成長プロセスなしに、MOSFETはLED構造のn-GaN層を使用して直接製造されました（次図B）。SERを用いると、MOSFETの現在チャネルとなるフィルムの厚さが150 nmにトレンチされました。ただし、SERのプロセスは通常、LED構造へのエッチングダメージを引き起こすと報告されています。

また、LiuらはSAGプロセスを用いた優れた統合プロセスを示しています。まず、事前に準備されたHEMT構造を誘導結合プラズマによって選択的に200 nmの深さまでエッチングし、未ドープのGaNバッファ層と側壁のGaNチャネルを露出させました。次に、LED構造をHEMT構造の隣に選択的に成長させました。次図Cは、完成したHEMT-LEDデバイスを示しています。LEDのn-GaN層はHEMT内で生成される二次元電子ガス（2DEG）に直接接続されているため、LEDとHEMTの間に金属の相互接続は必要ありません。したがって、このモノリシック設計により、寄生抵抗が低くなり、デバイスのサイズも小さくなります。Hartensveldらは、GaNナノワイヤLEDとGaN-FETの成長集積を示しました。次図Dは、ナノワイヤの積層とデバイス構造を示しています。トップダウンエッチングの後、ナノワイヤLEDが上部に形成されました。一方、未ドープのGaN（u-GaN）ナノワイヤを現在のチャネルとして使用して、ゲートオールアラウンド構造のGaN-FETを製造することができます。彼らの研究では、レータル集積の代わりに、GaN FETとLEDは垂直に積層されて接続されました。この垂直積層構造には、再成長や金属の相互接続が不要であるなど、複数の利点があります。ただし、この構造のGaNゲートオールアラウンドFETには大きな漏れ電流があり、表示アプリケーションにおける階調制御や消費電力の制御に悪影響を及ぼす可能性があります。

(A) SERアプローチを使用したモノリシックに統合されたGaN LEDとGaN MOSC-HEMTの断面図 。 (B) モノリシックに統合されたGaN LEDとGaN MOSFETの断面図 。 (C) SAGアプローチを使用した金属インターコネクトフリーのHEMT-LEDデバイスの概略図 。 (D) ナノワイヤFETを使用した垂直GaNナノワイヤLEDの概略図 。

上記で述べたように、GaNベースのLEDとFETの成長集積に関する報告は多数ありますが、これらの集積デバイスは長い間、マイクロLEDディスプレイの適用と製造には使用されていませんでした。最近、シェフィールド大学によってモノリシックに統合されたマイクロLED/HEMTのマイクロディスプレイが報告されました 。次図Aに示すように、まずプラズマ増強化化学気相成長法によってAlGaN/GaNヘテロ接合ウェハ上にSiO2マスクを成長させました。次に、リソグラフィとドライエッチングによって選択的エピタキシャル領域を定義しました。これにより、AlGaN/GaN界面の2DEGがエッチング側壁に露出しました。マイクロLED構造が選択的に成長されると、n-GaN層は2DEGと電気的に接続されることができます。SiO2マスクを除去した後、マイクロLEDとHEMTを含むハイブリッドウェハが得られました 。その後、フォトリソグラフィとエッチングなどの平面プロセスを使用して集積デバイスを製造します。リング状のゲート電極は、HEMTデバイスの電流流れを効果的に制御し、対応するマイクロLEDを直列で駆動します（次図B）。マトリックス間接続後、マイクロLEDサイズとピッチがそれぞれ20μmと25μmの8×8マイクロLEDマイクロディスプレイが製造されました（次図C）。この成長集積スキームは、ある程度まで非同種集積への依存性を排除し、マイクロLEDとそれらの互換性のある部分を同じGaNプラットフォーム上に実現するものです。この研究は、全GaNベースの高性能アクティブマトリックスマイクロLEDディスプレイの実現への道を導いています。

(A) SAGによるマイクロLED/HEMTハイブリッドウェハの製造手順の図。 (B) 製造されたマイクロLED/HEMT統合デバイスと (C) アクティブマトリックスディスプレイの図 。

GaNベースのトランジスタは、材料の互換性の観点から、マイクロLEDディスプレイの成長と集積を容易にします。しかし、2つのプロセス上の課題が、この完全なGaNベースのマイクロLEDディスプレイの開発を制限しています。一方で、エネルギー消費を減らし、回路の安全性を向上させるために、ドレイン領域が通常オフモードで動作するエンハンスメントトランジスタを駆動回路に使用する傾向があります。しかし、成長集積においてデプレーションモードのHEMTデバイスを実現することは困難です。他方で、GaNトランジスタの製造中にオーミック接触を形成するために800℃以上の熱処理が必要であり、これはLEDデバイスのthermal budgetを超え、デバイス性能の劣化を引き起こします。

成長集積を行うエンハンスメントトランジスタに関して、LuらはGaNベースのLEDと垂直エンハンスメントGaN MOSFETのモノリシック集積を実証しました。これは、LED構造の上にp-GaNとn-GaNの二層を選択的に再成長させることで実現されました。再成長によって形成されるp-n接合バリアは、GaNトランジスタの通常オフ動作を実現することができますが、同時により大きなオン抵抗を導入し、ディスプレイユニットの消費電力を増加させました。同じ材料系を追求するだけでなく、HunらはSi基板上に直接Si TFTを準備しました。GaN LED構造を選択的に除去した後、標準のCMOSプロセスを使用してSi TFTを製造しました。彼らの研究では、150 PPIの60×60のモノクロサブピクセルディスプレイを実現しました。次図Aは準備のプロセスフローを示しています。次図BとCはそれぞれ最終的なピクセル配列の光学顕微鏡画像と発光画像を示しています。このアプローチは、SiベースのMOSFETの本質的なエンハンスメント特性を活用するだけでなく、成熟したSi CMOSプロセスを利用してマイクロLEDディスプレイ技術の開発を促進することができます。

上記のように、デバイス構造と製造プロセスの互換性設計のおかげで、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイのドライバモジュールを製造するために広く使用されているSiベースのTFT技術が、GaNベースのマイクロLEDとのモノリシック集積にも応用されています。

Lumiode, Inc. は、ポリ結晶シリコン（poly-Si）を使用してドライブ回路を形成する製造可能な集積手法を提案しました。まず、マイクロLEDアレイがパターニングされ、その後、酸化シリコン（SiO2）とアモルファスシリコン（a-Si）の二層が堆積され、活性TFTフィルムが形成されました。TFTチャネルのキャリア移動度を向上させるために、パルスレーザーアニーリング技術が使用され、a-Siからpoly-Siへの変換が促進されました。レーザービームは非常に局所的な表面処理を提供するため、マイクロLEDの活性層には影響を与えません。次に、この集積システムは平面CMOSプロセスで製造されます。次図DおよびEは、集積デバイスの断面および上面図を示しています。この集積手法はスケーラブルであり、酸化物TFTや2D材料TFTなどの他のタイプのTFTの導入にも適しています。

最近、Hwangboらは、MoS2-on-GaNエピタキシャルウェハを使用したアクティブマトリックスマイクロLEDディスプレイを提案しました（次図F）。1.4ナノメートル厚のMoS2膜が、絶縁性のSiO2バッファ層でコーティングされた4インチのGaNエピタキシャルウェハに直接合成されました。MoS2の成長温度は580°Cと非常に低く、マイクロLEDの活性層にダメージを与えることはありません。完成したマイクロLEDアレイのSEM画像と、マイクロLEDピクセルの拡大画像はそれぞれ次図GとHに示します。この手法は、高性能なマイクロLEDディスプレイ技術のための先進的な製造工程を提供する一方で、大規模な高品質2D材料の成長にも挑戦しています。

(A) 製造手順の模式図、(B) 光学顕微鏡画像、および (C) シリコン基板上に製造されたドライブトランジスタを持つマイクロLEDディスプレイの発光画像 。(D) マイクロLEDとシリコンTFTのモノリシック集積の断面模式図および (E) 上面顕微鏡画像 。(F) マイクロLEDとMoS2 TFTのモノリシック集積の断面模式図。 (G) 統合マイクロLEDアレイと (H) ピクセルのSEM画像 。

同じ基板とプロセスフローを共有する成長集積（growth integration）は、マイクロLEDとドライバートランジスタの完全なモノリシック集積を実現し、多くの利点を提供します。例えば、ワイヤボンディングによる寄生抵抗とキャパシタンスを減少させることで、駆動回路の電力効率を向上させることができます。また、周辺部品の代わりにオンチップドライバを使用することで、LEDの故障を減らし、ディスプレイシステムの安定性を向上させることができます。これにより、GaN LEDチップの長寿命の優位性を十分に活用することができます。さらに、チップスケールの集積により、複数のコンポーネントを持つよりコンパクトなシステムを実現し、ICの小型化と多機能性の利点を実現することができます。成長集積の最大の課題は、材料成長とデバイスプロセスの互換性です。熱バジェットの管理とデバイス構造の設計は、集積プロセスで重要な役割を果たします。同じウェハ上に成長した統合材料プラットフォームを基に、さまざまなデバイス構造がマイクロLEDと駆動トランジスタ回路の完全なモノリシック集積を実現することができます。

さらに、フルカラーやドライバの統合に関して、いくつかの課題が依然としてこの集積技術の進展を妨げています。まず第一に、ウェハのサイズ制約のため、成長集積技術は大規模なマイクロLEDディスプレイの構築には適用できません。一方で、マイクロディスプレイの需要が増えるにつれて、成長集積が優れた技術的な解決策となることが期待されています。第二に、InGaN/GaN LEDは赤色シフトスペクトルを持ち、内部量子効率が低下します。そのため、成長技術によって製造されたフルカラーディスプレイでは、サブピクセルの発光が均一ではありません。この課題に対処するために、色変換技術が提案され、均一なフルカラーマイクロLEDディスプレイを実現することが示唆されました。第三に、重要な点として、横方向の成長集積はデバイス設計上の本質的な矛盾を抱えています。一般的に、統合された駆動トランジスタのチャネルは、マイクロLEDに十分な駆動電流を供給するために十分に広くする必要があります。しかし、拡大されたトランジスタの面積はサブピクセルの開口比を低下させ、サブピクセルのサイズを縮小させる可能性があります。この矛盾を解消するためには、キャリア移動度の高いTFTと垂直成長集積プロセスをさらに開発する必要があります。