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采用直接外延方法实现单片芯片集成一个HEMT和高调制带宽的单个MicroLED

MicroLED.cn 技术文章 2021-03-04 14:02:06 19290 0 | 文章出自:proquest MicroLED

摘要:

可见光通信(VLC)需要具有高调制带宽的三氮化体可见微光发光二极管(MicroLED)。这样的microled需要驱动在一个kA/cm2尺度上的高注入电流密度,大约是2个数量级  

比正常的可见LED操作要高。MicroLED通常采用干法蚀刻技术制备,而干法蚀刻导致的损伤是不可避免的性能的大幅下降和生存能力的巨大挑战,在高注射电流密度。此外,传统的偏置(这是简单地应用在p−n结)是足够好的正常LED操作,但产生了一个巨大的挑战,单MicroLED,需要在高注入电流密度和高注入电流密度下调制频率。在这项工作中,我们提出了一个外延集成的概念,然后演示了一种完全不同的方法,使我们能够实现外延集成一个直径为20 μm的单MicroLED和一个高电子迁移率的AlGaN/GaN晶体管(HEMT),单个MicroLED的发射是通过调谐门来调制的HEMT电压。此外,这种直接外延方法完全消除了任何干蚀刻引起的损伤。作为一个结果,我们展示了单片MicroLED-HEMT的外延集成,记录调制带宽为在工业兼容的c平面基板上的1.2 GHz。

关键词:microled,调制带宽,氮化镓,选择性过度生长,hemt, VLC

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1. 1.开发可见光通信(VLC)1、2作为基于射频(RF)的Wi-Fi和5G的补充技术的需求日益增加,其中用作发射机的III-氮化物可见光发光二极管(LED)是关键部件。 3−7预计VLC技术在控制RF排放或不起作用的广泛情况下有许多应用,例如医院、学校、飞机、水下通信、含有石油、天然气、石化等的危险环境。 一般来说,频率带宽(Δν)与波长的平方成反比,其描述如下:image.png

,其中λ是波长,c是光速。因此,射频发射跨越3千赫至300千赫的有限范围,而可见光的波长比射频发射的波长短得多,导致430至750太赫兹的巨大范围,比射频大3个数量级以上。 此外,VLC还提供了Wi-Fi和5G所缺乏的另一个独特优势,即安全性相关的应用,因为可见光传播可以很容易地限制在一个封闭的空间,而没有信息泄漏,这是Wi-Fi或5G.8,9所固有的,当前VLC技术面临的最大挑战之一是由于其有限的调制带宽,这是远远不能令人满意的,因此为促进VLC的应用构成了不可逾越的障碍。 原则上,调制带宽由结电容的RC时间常数和用作发射机的III-氮化物可见LED的载流子复合寿命的较大决定。 考虑到通常用于VLC系统的蓝色LED,其中有源区由GaN/GaN多量子阱(MQWs)组成,且有源区的厚度通常在100nm左右,因此可以使用下面提供的简单方程来估计RC时间常数image.png

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图1。 (a)传统的LED操作偏置方法和(b)我们提出的单个μLED操作偏置方法,其中单个μLED通过调整其HEMT的栅极电压来调制。 内嵌体是这两种情况下的等效电路。

其中R是阻抗,A是LED区域,L可以粗略估计为有源区的厚度,ε是GaN的介电常数,约为9,ε0是真空介电常数。 方程2表明,RC时间常数随LED尺寸的减小而减小。 例如,如果LED的尺寸从标准尺寸330×330μm2减小到直径20μm,则RC时间常数从10ns以上显著减小到0.05ns,假设阻抗为50Ω。 因此,对于直径为20μm的微型LED(μLED),调制带宽(∼1/(2πRC)可以急剧增加到10GHz,标准330×330μm2LED的调制带宽从50MHz增加到30GHz。 这是基本的物理学,为什么使用μLED作为VLC的发射机是必不可少的。 值得强调的是,只有在μLED的载流子复合寿命小于0.05ns的条件下,上述估计才对μLED有效。然而,众所周知,标准蓝色LED的载流子复合寿命通常在正常工作下≥10ns。 因此,VLC应用的调制带宽主要由载流子复合寿命决定,这可能是VLC在工业兼容的c平面衬底上的μLEDs调制带宽限制在1GHz的根本原因之一。 另一个经常被忽视的问题是由于VLC的电驱动部分。 对于标准显示器或一般照明,III-氮化物LED是在低注入电流密度下驱动的,通常≤10A/cm2。 在这种情况下,当正向偏置简单地应用于其p层和n层时,可以获得LED的稳定运行。 相反,对于VLC应用程序,通常以kA/cm2级的高注入电流密度驱动单个μLED,进一步需要在高频下调制。 在这种情况下,传统的偏置方法可能不够好。 为了克服这一挑战,我们建议集成一个μLED和一个AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT),如图1所示,这也与标准LED调制进行了比较。 对于传统的偏置方法,当LED需要在高注入电流密度下工作时,正向偏置的微小变化将导致注入电流密度的巨大变化,如图1a所示

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参考附图2。我们在具有预定义微孔阵列的HEMT模板上的μLEDs选择过度生长的过程示意图。(a)PECVD沉积SiO2;(b)图案化,然后制造SiO2微孔阵列;(c)微LED的选择性过度生长;(d)使用HF去除SiO2掩模。

2. 结果和讨论图2示意性地说明了我们在c面蓝宝石衬底上生长的AlGaN/GaNHEMT模板上制备微孔阵列图案的过程,其中微孔阵列用于μLEDs的选择性过度生长。 最初,在平面蓝宝石上的AlGaN/GaN模板上沉积一层SiO2(图2a),然后结合标准光刻技术,然后采用电感耦合等离子体(ICP)干刻蚀工艺将SiO2刻蚀成微孔阵列。 然后,HEMT模板将进一步刻蚀50nm>,但刻蚀只发生在微孔区域内(使用SiO2微孔掩模)。 微孔直径20μm,边对边间距25μm。 随后,将图案化的HEMT模板重新加载到金属有机气相外延(MOVP E)系统中,以进一步μLED生长。由于SiO2掩模,μLEDs只能在微孔区域内生长,自然形成μLED阵列。 μLED结构是相当标准的,由一层n-GaN组成,30个周期In0.05Ga0.95N/GaN超晶格(SLs)作为预层,5个周期In0.25Ga0.75,这表明,μLED和HEMT的单片片上集成可以通过外延生长自然形成。 图4a显示了我们的单片片上集成μLED-HEMT的光学显微镜图像,该图像具有变焦扫描电镜图像,表明HEMT的圆形栅极围绕直径为20μm的单个μLED。 为整个集成μLEDHEMT装置定义了方形的MESA。 地面信号地面(GSG)垫,中心到中心的距离为100μm,特别设计用于空气共面(ACP)晶片探针,用于我们的发射上高频测量。由于我们完全不同的方法(即与传统的基于干蚀刻的制造方法相比,我们的直接外延选择性生长),我们的μLEDs自然形成,从而完全消除了任何干蚀刻引起的损害,特别是侧壁损伤,这对于制造直径为≤20μm的μLEDs由于表面与体积之比的显著增加而特别重要。

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图3。 μLED-HEMT的外延单片片上集成的布局。 (a)器件制造前过度生长的epi的横截面扫描电镜图像;(b)器件制造后集成器件的三维示意图。 嵌体示意性地说明了我们的单体集成器件的横截面epi结构,其中2DEG由虚线红线表示。

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参考附图4。(a)具有放大扫描显微镜图像的单相集成装置的光学显微镜图像;(b)典型的I−V特性(嵌入:用于测试的等效电路);和(c)典型的传输特性。

如图4a所示,在单个μLED的p-GaN的顶部制作了一个圆形阳极垫。 每个μLED以外的区域是HEMT区域。 在每个单μLED周围制作一个圆形栅极,其长度、栅极到源距离和栅极宽度分别为2、2和88μm。 每个单个μLED的门与n-GaN的间距为3μm。 在圆形栅极区域外,制作了两个半圆垫作为HEMT的源垫。 电流−电压(I−V)和传输特性已经在我们的单体集成μLEDHEMT上进行,其中注入到单一μLED的电流由其HEMT控制。 两通道源计Keithley2612B已被用于这些测量。 图4b显示了在从1到7V的不同栅极偏置下测量的μLED阳极与其HEMT源之间的外加电压的函数,注入电流流入单个μLED,显示了典型的HEMT特性。 该嵌体显示了一个等效电路,示意性地说明了HEMT如何向单个μLED提供注入电流,该电流由该μLED的栅极偏置控制

下载链接

Direct Epitaxial Approach to Achieve a Monolithic On-Chip Integration of a HEMT and a Single Micro-LED with a High-Modulation Bandwidth.pdf


 


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