近日，南方科技大學深港微電子學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體功率器件領域取得系列進展，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條形發光二極管。相關成果分別發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