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境下應用的需求增加，對應相關領域電力系統的高壓高功率、抗輻射耐高溫的高性能半導體電子器件越來越受到關注。氧化鎵（β-Ga2O3）具有超寬禁帶寬度（~4.9 eV）、高擊穿電場（～8 MV/cm）、高的熱穩定性和化學穩定性等特點，并且可以通過經濟高效的熔體法制備技術進行單晶生長，具有大規模低成本制造的潛力，被認為是未來支撐能源、信息、交通、制造等領域快速發展的新一代半導體材料。其中，二極整流管是體現Ga2O3優勢的一個重要應用，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層，提升了器件金屬半導體界面的質量，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元素分析及其電學測試結果

相關成果以“Improvement of β-Ga2O3 MIS-SBD Interface Using Al-Reacted Interfacial Layer”為題發表于IEEE Transactions on Electron Devices，南科大微電子學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技術廳和深圳科技創新委員會的項目支持。

基于AlGaN/GaN HEMT器件的柴油發動機含碳燃燒顆粒物傳感器

在內燃機中，碳氫燃料的燃燒會產生固體含碳顆粒物，造成大氣污染，嚴重者會導致心肺及其他相關健康問題。于洪宇教授團隊基于AlGaN/GaN HEMT器件開發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%的響應以及4.44 mA的大信號波動，實現了快速響應時間，解決了傳統水平插指電極（IDE）碳顆粒物傳感器中普遍存在的死區時間問題。器件相應信號在顆粒物沉積10分鐘后達到34.72%（27.94 mA）的峰值，并且在600 °C的空氣環境中熱再生后能夠依舊運行。

相關成果以“Application of a gateless AlGaN/GaN HEMT sensor for diesel soot particulate detection”為題發表在Sensors and Actuators: B Chemical，南科大深港微電子學院研究助理教授Robert Sokolovskij為第一作者，本工作得到了廣東省科學技術廳和深圳科技創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，以監測發光強度變化，并通過覆蓋熒光粉實現白光照明。通過理論仿真模擬，探究了探測器位置與探測效率的關系，并通過實驗驗證了模擬結果的準確性。與位于邊緣的探測器相比，位于中心位置的設計可以實現58%的光強檢測效率提升。研究還發現，片上探測器的探測能力與傳統的外部光電探測器相當，其響應時間小于1μs。相關成果以“Phosphor-based InGaN/GaN White Light-Emitting Diodes With Monolithically Integrated Photodetectors”為題發表于IEEE Transactions on Electron Devices。論文第一作者為南科大深港微電子學院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器件可提供發光和光電檢測功能，測量光波經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，證明了其實時監測運動表面粗糙度的能力。本器件具有非接觸、非破壞性、結構緊湊、操作簡單、原位測量能力等優點，對實際和工業表面計量應用具有重要價值。

相關成果以“A Miniature GaN Chip for Surface Roughness Measurement”為題發表于IEEE Transactions on Electron Devices。論文第一作者為深港微電子學院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視光學圖像；（b）在高和低表面粗糙度下發生的光散射示意圖。

高性能GaN條形發光二極管

李攜曦課題組提出了一種尺寸為7500μm×300 μm的GaN條形發光二極管(LED)。通過優化的電極設計，電流可以均勻地注入細長的芯片中，實現均勻的光分布，無需使用外部光學元件。與傳統的方形LED相比，條形LED的出光功率在400mA和1000mA的驅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，也可以證明白光發射。條形LED具有降低發光強度密度、均勻照明和提高光輸出的優點，不僅適用于各種照明應用，還可以用作顯示屏的背光單元。相關成果以“High-Performance III-Nitride Light-Emitting Diode Stripes”為題發表在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）傳統方形LED和（b）本研究提出的條形LED的光學圖像。

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 

5、  https://ieeexplore.ieee.org/document/9528852