近日，波兰科学院Henryk Turski和康奈尔大学Len van Deurzen、Eungkyun Kim、Debdeep Jena、Huili Grace Xing团队发表了题为「Using both faces of polar semiconductor wafers for functional devices」的工作在Nature期刊上。
本文介绍了一种新型的电子和光子设备制造方法，称为「dualtronics」，它利用了宽禁带半导体氮化镓（GaN）的独特性质。GaN的晶体结构打破了沿[0001]方向的反演对称性，导致两个表面具有不同的物理和化学性质。作者展示了在GaN单晶片的阳离子（镓）面制造光子器件，在阴离子（氮）面制造电子器件的可能性。这种在同一半导体晶片的对立面上实现电子、光子和声子功能的方法，极大地扩展了这种革命性半导体家族的功能能力。
背景
与传统的非极性半导体如硅不同，氮化镓（GaN）等极性半导体的晶体结构具有独特的物理性质。这些性质使得GaN的两个表面在电子和空穴的输运性质上存在显著差异。在过去三十年中，GaN的阳离子面被用于制造光电子器件如发光二极管（LED）和激光器，而阴离子面则显示出在高电子迁移率晶体管（HEMTs）中应用的潜力。
主要内容
dualtronics的提出：作者提出了dualtronics的概念，即在同一GaN晶片的阳离子面制造光子器件，在阴离子面制造电子器件。
器件结构：在GaN的阴离子面制造了高电子迁移率的2DEG，用于HEMT的导电通道；在阳离子面实现了(In,Ga,Al)N p–n二极管异质结构，用于制造蓝光量子阱LED。
器件制备：首先在GaN的阳离子面通过分子束外延（MBE）技术生长蓝光LED结构，然后将晶片翻转并在阴离子面生长N极性GaN/AlGaN/GaN异质结构。
实验细节概括
基底制备：使用氨热法生长的高透明度n型O掺杂GaN基底，具有约10¹⁸ cm⁻³的自由电子浓度和约10⁴ cm⁻²的位错密度。
异质结构生长：采用分子束外延技术在GaN的阳离子面生长蓝光LED结构，然后在阴离子面生长高电子迁移率的2DEG。
器件加工：首先在阴离子面加工HEMT，在阳离子面加工LED。使用了电子束蒸发、化学气相沉积、反应离子刻蚀等技术。
创新点
双面利用：首次在GaN单晶片的两个对立面上分别制造电子器件和光子器件。
dualtronics概念：提出了在同一结构中利用极性半导体的两个面的概念，这可能为制造新型的集成电子和光子器件提供了新途径。
器件性能：制造的HEMT显示出低阈值电压、高电子迁移率和低漏电流，而LED则显示出高亮度和可调节的发光强度。
电子迁移率：研究中制造的N极性HEMT展现了约1970 cm²/(V·s)的电子迁移率，这是已报道的N极性HEMT中的最高值之一。
电子密度：通过Hall效应测量，确认在N极性HEMT中形成了约1.26 × 10¹³ cm⁻²的2DEG。
阈值电压：在对N极性HEMT进行的转移特性测量中，阈值电压约为-3V，表明在5V漏极电压下可实现超过1 A mm⁻¹的开态电流。
LED发光强度：LED的电致发光光谱表明，随着注入电流密度的增加，发光强度增加，且峰值发射波长向蓝色波段的较短波长方向移动。
器件集成：通过dualtronics技术在同一GaN晶片上成功集成了HEMT和LED，并通过电路连接实现了使用HEMT控制LED发光的功能，展示了dualtronics技术的可行性。
结论
dualtronics技术的成功实现，不仅展示了在同一GaN晶片上集成电子和光子器件的可能性，而且为未来在单一平台上实现多功能电子和光子系统的制造提供了新思路。这种技术有望显著减少组件数量，降低成本，并提高器件性能。
图文内容
图1 | 示意图显示了HEMT-LED的等离子体辅助分子束外延生长过程。灰色箭头指示生长程序的时间顺序。(a) GaN基底的Ga结合及沿金属极性方向生长 (In,Ga,Al)N LED。(b) 样品的卸载、清洗、翻转、Ga结合和重新装载。(c) 沿氮极性方向生长GaN/AlGaN HEMT。
图2 | 双功能外延异质结构的STEM成像。(a) 示意图，显示在单晶c面n-GaN基底的两个面上生长的HEMT-LED异质结构。(b) HAADF-STEM图像，显示GaN/Al0.40Ga0.60N/GaN HEMT。比例尺，10 nm。(c) 对应于最上层 GaN/Al0.40Ga0.60N异质结界面的原子分辨率图像，承载2DEG。比例尺，2 nm。(d) HEMT最上层GaN的iDPC图像，表明氮极性与基底一致，向表面延续。比例尺，1 nm。(e) HAADF-STEM图像，显示LED量子阱、电子阻挡层、包层和接触层。比例尺，100 nm。(f) 对应于LED In0.07Ga0.93N/In0.17Ga0.83N/In0.07Ga0.93N单量子阱的原子分辨率图像。比例尺，2 nm。(g) LED的p-InGaN接触层的iDPC图像，表明金属极性与基底一致。比例尺，1 nm。
图3 | 双功能器件的制造与成像。(a–d) 双面HEMT-LED的器件处理流程。从生长好的异质结构开始，灰色箭头按时间顺序指示独立处理步骤，其中金属极性LED在N极性HEMT处理后进行。(e) 完整器件的三维表示。(f) 处理后的样品的光学显微镜图像，右侧聚焦于LED，左侧聚焦于HEMT。N极性HEMT朝上定向，形成最上层的表面。为便于比较，大LED阳极接触的直径为140 μm。(g) 扫描电子显微镜图像，展示N极性GaN表面上的HEMT（底部）和金属极性GaN表面上的LED（顶部）。
图4 | HEMT和LED的独立工作特性。(a) N极性HEMT的归一化漏电流（黑线）和跨导（灰线）随栅源电压的变化，工作于5 V的漏源电压。(b) 线性图显示HEMT的一系列曲线（黑线），栅源电压范围为1.75 V（开启）到−3.25 V（关闭）。右轴显示直径400 μm的LED的线性电流–电压特性（蓝线）和未归一化的HEMT输出特性。测量的HEMT尺寸为LSD=4 μm、LG=1.5 μm和WG=50 μm。(c) 半对数图显示未归一化的漏电流（实黑线）和栅电流（虚黑线）随栅源电压的变化，漏源电压为5 V。此处晶体管电流对应于左侧纵轴。水平虚黑线表示归一化通道表面电流密度为1 A mm⁻¹。对应于右侧纵轴的是直径400 μm器件的LED电流（蓝线）随正向偏置的变化。(d) 金属极性、直径400 μm的LED的电致发光光谱。注入电流密度范围为1到140 A cm⁻²。插图显示样品的相机图像，LED处于开启状态。a.u.表示任意单位。
图5 | 单体HEMT-LED开关测量。(a) HEMT和LED的能带图，显示关闭和开启状态。(b) 单体HEMT-LED的电路示意图，考虑了导电GaN基板的背栅效应。(c,d) 单体开关测量，在开启和关闭状态之间调制 (c)，以及在亮模式和暗模式之间调制 (d)。栅源调制电压用红色表示，调制LED时的光电二极管电压用实线蓝色表示，背景（LED关闭状态）下的光电二极管电压用虚线蓝色表示。a.u.表示任意单位。
文献链接：
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
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