近日，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院教授于洪宇課題組和助理教授李攜曦課題組在寬禁帶半導(dǎo)體功率器件領(lǐng)域取得系列進展，特色研究成果包括高性能Ga2O3功率二極管制備方法、基于GaNHEMT器件的含碳顆粒物傳感器、具有片上光電探測器的GaN基白光發(fā)光二極管、非接觸式表面粗糙度測量器件和高性能GaN條形發(fā)光二極管。相關(guān)成果分別發(fā)表于國際微電子器件期刊IEEE Transactions on Electron Devices和傳感器期刊Sensors and Actuators: B Chemical上。
高性能Ga2O3功率二極管制備方法
隨著新能源汽車、高鐵以及一些極端環(huán)境下應(yīng)用的需求增加，對應(yīng)相關(guān)領(lǐng)域電力系統(tǒng)的高壓高功率、抗輻射耐高溫的高性能半導(dǎo)體電子器件越來越受到關(guān)注。氧化鎵（β-Ga2O3）具有超寬禁帶寬度（~4.9 eV）、高擊穿電場（～8 MV/cm）、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點，并且可以通過經(jīng)濟高效的熔體法制備技術(shù)進行單晶生長，具有大規(guī)模低成本制造的潛力，被認為是未來支撐能源、信息、交通、制造等領(lǐng)域快速發(fā)展的新一代半導(dǎo)體材料。其中，二極整流管是體現(xiàn)Ga2O3優(yōu)勢的一個重要應(yīng)用，于洪宇團隊通過在Ga2O3二極管的肖特基界面插入一層鋁反應(yīng)層，提升了器件金屬半導(dǎo)體界面的質(zhì)量，取得了超低的亞閾值擺幅，降低了漏電，改善了器件的均一性和良率。
圖1：Ga2O3功率二極管界面TEM圖、EDS元素分析及其電學(xué)測試結(jié)果
相關(guān)成果以“Improvement of β-Ga2O3 MIS-SBD Interface Using Al-Reacted Interfacial Layer”為題發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices，南科大微電子學(xué)院博士研究生何明浩為第一作者，該工作得到了廣東省科學(xué)技術(shù)廳和深圳科技創(chuàng)新委員會的項目支持。
基于AlGaN/GaN HEMT器件的柴油發(fā)動機含碳燃燒顆粒物傳感器
在內(nèi)燃機中，碳氫燃料的燃燒會產(chǎn)生固體含碳顆粒物，造成大氣污染，嚴重者會導(dǎo)致心肺及其他相關(guān)健康問題。于洪宇教授團隊基于AlGaN/GaN HEMT器件開發(fā)了用于探測廢氣中污染微顆粒的PM傳感器，傳感器表面顆粒物吸收速率達到0.25 μg/min，在20秒后得到5.52%的響應(yīng)以及4.44 mA的大信號波動，實現(xiàn)了快速響應(yīng)時間，解決了傳統(tǒng)水平插指電極（IDE）碳顆粒物傳感器中普遍存在的死區(qū)時間問題。器件相應(yīng)信號在顆粒物沉積10分鐘后達到34.72%（27.94 mA）的峰值，并且在600 °C的空氣環(huán)境中熱再生后能夠依舊運行。
相關(guān)成果以“Application of a gateless AlGaN/GaN HEMT sensor for diesel soot particulate detection”為題發(fā)表在Sensors and Actuators: B Chemical，南科大深港微電子學(xué)院研究助理教授Robert Sokolovskij為第一作者，本工作得到了廣東省科學(xué)技術(shù)廳和深圳科技創(chuàng)新委員會的項目支持。
圖2：PM傳感器（a）器件橫截面與（b）頂視示意圖
圖3：（a）無柵傳感器輸出曲線隨顆粒物沉積時間變化；（b）和（c）為20秒沉積時間后的傳感器表面SEM圖；（e）PM沉積后和（f）600 °C熱再生后的器件圖。
具有片上光電探測器的GaN基白光發(fā)光二極管
李攜曦課題組提出在GaN基外延芯片上集成光源和微型光電探測器，以監(jiān)測發(fā)光強度變化，并通過覆蓋熒光粉實現(xiàn)白光照明。通過理論仿真模擬，探究了探測器位置與探測效率的關(guān)系，并通過實驗驗證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。與位于邊緣的探測器相比，位于中心位置的設(shè)計可以實現(xiàn)58%的光強檢測效率提升。研究還發(fā)現(xiàn)，片上探測器的探測能力與傳統(tǒng)的外部光電探測器相當(dāng)，其響應(yīng)時間小于1μs。相關(guān)成果以“Phosphor-based InGaN/GaN White Light-Emitting Diodes With Monolithically Integrated Photodetectors”為題發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices。論文第一作者為南科大深港微電子學(xué)院2021級博士生尹嘉豪。
圖4：器件原理示意圖
非接觸式表面粗糙度測量器件
李攜曦課題組研究報告了用于表面粗糙度測量的微型GaN器件的制造和表征。通過晶圓級工藝制造的單片GaN器件可提供發(fā)光和光電檢測功能，測量光波經(jīng)過不同粗糙度界面反射后的強度變化，從而能夠檢測到0.025μm到1.6μm的平均表面粗糙度范圍。研究人員將傳感性能與光纖計量進行比較，證明了其實時監(jiān)測運動表面粗糙度的能力。本器件具有非接觸、非破壞性、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、原位測量能力等優(yōu)點，對實際和工業(yè)表面計量應(yīng)用具有重要價值。
相關(guān)成果以“A Miniature GaN Chip for Surface Roughness Measurement”為題發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices。論文第一作者為深港微電子學(xué)院2021級博士生尹嘉豪。
圖5：（a）在光滑和粗糙樣品上測量的器件側(cè)視光學(xué)圖像；（b）在高和低表面粗糙度下發(fā)生的光散射示意圖。
高性能GaN條形發(fā)光二極管
李攜曦課題組提出了一種尺寸為7500μm×300 μm的GaN條形發(fā)光二極管（LED）。通過優(yōu)化的電極設(shè)計，電流可以均勻地注入細長的芯片中，實現(xiàn)均勻的光分布，無需使用外部光學(xué)元件。與傳統(tǒng)的方形LED相比，條形LED的出光功率在400mA和1000mA的驅(qū)動電流下分別提升了29.3%和57.9%。通過用黃色熒光粉薄膜覆蓋芯片，也可以證明白光發(fā)射。條形LED具有降低發(fā)光強度密度、均勻照明和提高光輸出的優(yōu)點，不僅適用于各種照明應(yīng)用，還可以用作顯示屏的背光單元。相關(guān)成果以“High-Performance III-Nitride Light-Emitting Diode Stripes”為題發(fā)表在IEEE Transactions on Electron Devices。論文共同第一作者為南科大訪問碩士生金浩天和博士生陳亮。
圖6：（a）傳統(tǒng)方形LED和（b）本研究提出的條形LED的光學(xué)圖像。
以上五篇文章，南科大均是論文第一單位。
論文鏈接：
1、https://ieeexplore.ieee.org/document/9444549
2、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400521013794?via%3Dihub
3、https://ieeexplore.ieee.org/document/9263328
4、https://ieeexplore.ieee.org/document/9521571