极性半导体晶片的两面用于功能器件

赵桂芝 2024-10-29

随着半导体技术的迅速发展，集成光电子与电子设备的需求日益增加，尤其是在Micro-LED和高电子迁移率晶体管（HEMT）的应用中，如何在同一基片上实现这些功能的集成引起了广泛关注。双电子学（dualtronics）作为一个重要的概念，致力于在同一晶圆的不同极性表面上同时实现光电子和电子器件的功能。

随着半导体技术的迅速发展，集成光电子与电子设备的需求日益增加，尤其是在Micro-LED和高电子迁移率晶体管（HEMT）的应用中，如何在同一基片上实现这些功能的集成引起了广泛关注。双电子学（dualtronics）作为一个重要的概念，致力于在同一晶圆的不同极性表面上同时实现光电子和电子器件的功能。这种集成可以极大地提高器件的性能并减少系统复杂性，然而，现有的集成方案通常面临如晶体生长界面质量差、漏电流增加和光发射效率降低等问题。

为此，康奈尔大学Len van Deurzen团队携手在Nature期刊上发表了题为“Using both faces of polar semiconductor wafers for functional devices”的最新论文。科学家们提出了一种新颖的单片集成方案，结合了N-polar面上的HEMT和金属极性面的LED，实现了更高效的器件集成。在本研究中，研究人员通过优化生长条件和制造流程，成功地在同一基片上实现了双重功能的光电设备。研究中指出，LED的阴极不仅可以作为发光二极管的电极，还能够作为HEMT的背栅，从而引入了一种新的背栅效应。这种设计使得在未施加电压时，阴极电压能够显著调控HEMT的漏电流，展现出独特的电气特性。

通过对该集成结构的深入研究，本研究解决了多层生长导致的器件性能下降的问题，避免了传统方法中干法刻蚀引起的等离子体损伤和再生长引发的接触降解。此外，研究还探索了如何在金属极性面上高效利用发光器件的发光特性，同时在N极面上实现高性能电子器件的制造。

研究亮点

1. 实验首次实现了单片集成的高电子迁移率晶体管（HEMT）与发光二极管（LED）结合，展示了双电子学（dualtronics）结构的可行性。

2. 通过背栅效应控制HEMT的 drain 电流，研究发现当顶部栅极浮空时，LED的阴极电压能以指数方式调控HEMT的性能。这一新功能提供了双电子学的更多可能性。

3. 采用了同一块GaN基板的金属极面和氮极面，实现了电子和光子设备的共存，显著减少了微型LED所需的组件数量，从而节省了成本和空间。

4. 实验中，采用了氨热法生长高透明度GaN基板，并利用等离子体辅助分子束外延法（MBE）分别生长金属极LED和氮极HEMT，确保了异质结构的质量。

5. 结果表明，双电子学架构能够有效利用极性GaN的优势，扩展到激光二极管、光电调制器等多种光电子设备，为集成电路提供新的应用前景。

图文解析

本文通过多种表征手段，深入探讨了单片集成HEMT-LED的特性与机理。首先，使用了时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）和扫描透射电子显微镜（STEM）等高端仪器，揭示了不同极性GaN基板上LED和HEMT异质结构的元素分布和微观结构特征。这些表征结果显示，Ga-polar和N-polar表面的结构及掺杂情况对器件性能有显著影响，进而为优化器件设计提供了重要依据。

针对在集成过程中观察到的电流调制现象，本文通过微观机理分析，探讨了背栅效应如何影响HEMT的导电性。实验发现，当LED的阴极作为HEMT的背栅时，其电压调节能够有效控制漏电流，这一发现为双电子学的概念提供了新的功能性扩展。通过对电流与电压关系的详细表征，进一步揭示了这一现象的物理机制，指出如何通过设计和选择合适的基底材料来消除不必要的背栅效应。

在此基础上，本文还利用原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）对器件表面的形貌和晶体结构进行了系统的分析。这些表征手段帮助我们理解了材料在生长过程中的特征，确保了LED和HEMT之间的良好界面质量。通过对表面形貌和晶体取向的深入研究，结果表明高质量的材料界面不仅提高了光电效率，还减少了漏电流，从而有效提升了器件的整体性能。

图1:HEMT-LED的等离子体辅助分子束外延生长示意图。灰色箭头表示生长过程的时间顺序。a, GaN衬底的Ga键合和(In,Ga,Al)N LED沿金属极方向的MBE生长。b、样品的卸载、清洗、翻转、Ga键合和重新加载。c, GaN/AlGaN HEMT沿n极方向的MBE生长。

图2:双电子外延异质结构的STEM成像。a，在单晶c面n-GaN衬底上生长的HEMT-LED异质结构示意图。b, HAADF-STEM图像显示GaN/Al0.40Ga0.60N/GaN HEMT。c，原子分辨率图像对应于承载2DEG的最上层GaN/Al0.40Ga0.60N异质结接口。d, HEMT最上层GaN层的iDPC图像，表明氮极性跟随衬底到表面。e, HAADF-STEM图像显示LED量子阱、电子阻挡层、包层和接触层。f、LED In0.07Ga0.93N/In0.17Ga0.83N/In0.07Ga0.93N单量子阱对应的原子分辨率图像。g, LED的p-InGaN接触层的iDPC图像，表明金属极性跟随衬底

图3:双电子器件的制作和成像。a-d，双面HEMT-LED的器件加工流程。从生长异质结构开始，灰色箭头按时间顺序遵循独立的加工步骤，金属极性LED在n极性HEMT之后加工。e，完整设备的3D表示。f，处理后样品的光学显微镜图像，聚焦在led(右)和hemt(左)上。n极性hemt向上取向，形成最上表面。对于规模，大的LED阳极触点直径为140 μm。g, n极GaN表面的hemt(下)和金属极GaN表面的led(上)的扫描电镜图像。

图4:HEMTs和LEDs独立工作时的器件特性。a，在漏极源极电压为5v时，n极HEMT的归一化漏极电流(黑线)和跨导(灰线)作为栅源电压的函数。b，线形图显示了栅极源电压范围从1.75 (on)到- 3.25 V (off)的HEMT曲线族(黑线)。右轴为直径为400 μm的LED的线性电流-电压特性(蓝线)和HEMT的非归一化输出特性。c，半对数图显示非归一化漏极电流(黑色实线)和栅极电流(黑色虚线)与栅极源电压的关系，漏极源电压为5v。这里晶体管电流对应于左纵轴。水平黑色虚线表示归一化通道片电流密度为1a mm−1。同样，与右纵轴相对应的是LED电流(蓝线)作为正向偏置的函数，对于直径为400 μm的器件。d，金属极性，直径400 μm LED的电致发光光谱。注入电流密度范围为1 ~ 140a cm−2。

图5:HEMT-LED单片开关测量。a、HEMT和LED的开关能带图。b、单片HEMT-LED电路原理图，考虑导电GaN衬底的背门效应。c,d，单片开关测量，在开与关(c)和亮模式与暗模式(d)之间调制。

结论展望

本研究展示了双电子学（dualtronics）概念在氮化镓（GaN）基单片集成电路中的实际应用，开启了新型器件集成的可能性。通过在同一晶圆的金属极性和氮极性面上分别构建发光二极管（LED）和高电子迁移率晶体管（HEMT），实现了光电器件的高效结合。这种结构的创新不仅提升了器件的功能，还显著减少了微型LED所需的组件数量，从而节省了空间和成本。此外，后门调控效应的引入为HEMT提供了新的操作机制，使其在不同工作状态下的性能得到更精确的控制。研究结果表明，双电子学不仅限于LED与HEMT的结合，未来在激光二极管、光放大器及其他光电器件领域也具有广泛的应用潜力。此外，该技术的进一步发展有望推动通信系统中发射和接收模块的集成，提升射频和功率电子设备的性能。因此，双电子学的实施将促进新型功能器件的设计与应用，为光电子和电子器件的结合提供了全新的视角。

文献信息van Deurzen, L., Kim, E., Pieczulewski, N. et al. Using both faces of polar semiconductor wafers for functional devices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07983-z

内容来源：内容半导体技术情报

责任编辑：展源

审　　核：何发

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