研究背景

隨著電子和光電子技術(shù)的快速發(fā)展，集成化和高效能的器件結(jié)構(gòu)引起了廣泛關(guān)注。近年來，雙電子（dualtronic）結(jié)構(gòu)的提出為集成化的電子與光電設備提供了新的可能性。這種結(jié)構(gòu)通過將高電子遷移率晶體管（HEMT）與發(fā)光二極管（LED）集成在同一基片上，實現(xiàn)了在一個平臺上同時處理電信號和光信號的功能。然而，傳統(tǒng)的器件集成方法常常面臨著層間生長界面質(zhì)量差、泄漏路徑增多以及光發(fā)射效率降低等問題，制約了其應用的發(fā)展。 

研究內(nèi)容

為了解決這些問題，康奈爾大學Huili Grace Xing和Debdeep Jena團隊在Nature期刊上發(fā)表了題為“Using both faces of polar semiconductor wafers for functional devices”的最新論文。研究人員提出了一種新型的雙電子集成方案，該方案利用GaN基材的N極面和金屬極面分別制作HEMT和LED。這一方法避免了需要選擇性去除或再生長外延層的復雜過程，從而降低了對材料界面質(zhì)量的要求，顯著提高了器件的性能。具體而言，該研究通過精確控制器件結(jié)構(gòu)中的電流和光發(fā)射，實現(xiàn)了HEMT-LED的高效開關(guān)，展示了其在光電集成電路中的潛力。 

本研究解決了傳統(tǒng)集成方法帶來的性能限制問題，采用單片集成技術(shù)，實現(xiàn)了在同一GaN基材上同時具備光電子和電子功能的器件。通過對基片的雙極性利用，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電子信號和光信號的結(jié)合，這種創(chuàng)新的器件結(jié)構(gòu)不僅降低了元件數(shù)量，節(jié)省了材料和成本，還為未來微型LED和透明薄膜晶體管的結(jié)合開辟了新的道路。此外，基于雙電子結(jié)構(gòu)的器件可以拓展到更廣泛的應用場景，例如新型的射頻放大器和光電模塊，推動更高集成度和更小體積的通信系統(tǒng)的發(fā)展。 

圖文解讀

1. 實驗首次實現(xiàn)了單片集成的高電子遷移率晶體管（HEMT）與發(fā)光二極管（LED），展示了雙電子光子器件的可行性。 

2. 實驗通過對GaN基底的雙極性結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，成功實現(xiàn)了HEMT的反向柵極效應，顯著提高了器件的電流控制能力。實驗結(jié)果表明，當頂柵電極浮空時，LED的陰極電壓能以指數(shù)方式調(diào)控HEMT的漏電流，提供了新的功能。 

3. 研究表明，該雙電子光子結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)光電設備和射頻電子設備的集成，減少了所需組件數(shù)量，從而降低了成本和面積，提升了整體性能。 

4.利用雙極性GaN材料的特性，本文展示了在同一晶片上集成不同極性器件的潛力，為未來光電集成電路提供了新思路。

圖1 | HEMT-LED的等離子體輔助分子束外延生長示意圖。

圖2 | 雙電子外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)的STEM成像。

圖3 | 雙電子器件的制作和成像。

圖4 | HEMTs和LEDs獨立工作時的器件特性。

圖5 | HEMT-LED單片開關(guān)測量。 

結(jié)論展望

本文的研究揭示了雙電子技術(shù)（dualtronics）的潛力，通過將HEMT和LED集成在同一塊GaN基片上，推動了新型光電器件的發(fā)展。這種單片集成不僅提高了器件的功能性，還減少了組件數(shù)量，優(yōu)化了材料利用，具有顯著的成本效益。研究中指出，利用N極和金屬極的極性差異，可以在同一基片上實現(xiàn)高效的光電和電子功能，拓展了微型LED與透明薄膜晶體管的結(jié)合可能。這一方法避免了傳統(tǒng)器件集成中常見的層間剝離和再生長所帶來的損害，提供了更為理想的生長界面。 

此外，雙電子結(jié)構(gòu)能夠同時支持高效的光發(fā)射和電子運算，為通信系統(tǒng)中發(fā)射與接收模塊的緊湊集成奠定了基礎(chǔ)。未來，這種集成技術(shù)有望在超寬帶隙極性半導體中實現(xiàn)聲波、微波和光波的協(xié)同應用，推動新型射頻和功率電子器件的發(fā)展。這些研究成果不僅為光電子領(lǐng)域開辟了新的研究方向，也為相關(guān)應用提供了理論支持，展現(xiàn)出廣闊的科技前景。 

該工作發(fā)表在Nature上 

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07983-z 

（來源：低維材料前沿）