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(jìn)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(cè)器的GaN基白光發(fā)光二極管、非接觸式表面粗糙度測(cè)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(guó)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。

 

隨著新能源汽車(chē)、高鐵以及一些極端環(huán)境下應(yīng)用的需求增加，對(duì)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(lái)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(chǎng)（～8 MV/cm）、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，并且可以通過(guò)經(jīng)濟(jì)高效的熔體法制備技術(shù)進(jìn)行單晶生長(zhǎng)，具有大規(guī)模低成本制造的潛力，被認(rèn)為是未來(lái)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(shì)的一個(gè)重要應(yīng)用，于洪宇團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(cè)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(huì)的項(xiàng)目支持。

 

 

在內(nèi)燃機(jī)中，碳?xì)淙剂系娜紵龝?huì)產(chǎn)生固體含碳顆粒物，造成大氣污染，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致心肺及其他相關(guān)健康問(wèn)題。于洪宇教授團(tuán)隊(duì)基于AlGaN/GaN HEMT器件開(kāi)發(fā)了用于探測(cè)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(dá)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(hào)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)時(shí)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(shí)間問(wèn)題。器件相應(yīng)信號(hào)在顆粒物沉積10分鐘后達(dá)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(yùn)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(huì)的項(xiàng)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(wú)柵傳感器輸出曲線隨顆粒物沉積時(shí)間變化；（b）和（c）為20秒沉積時(shí)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。

 

 

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(cè)器，以監(jiān)測(cè)發(fā)光強(qiáng)度變化，并通過(guò)覆蓋熒光粉實(shí)現(xiàn)白光照明。通過(guò)理論仿真模擬，探究了探測(cè)器位置與探測(cè)效率的關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。與位于邊緣的探測(cè)器相比，位于中心位置的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)58%的光強(qiáng)檢測(cè)效率提升。研究還發(fā)現(xiàn)，片上探測(cè)器的探測(cè)能力與傳統(tǒng)的外部光電探測(cè)器相當(dāng)，其響應(yīng)時(shí)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(jí)博士生尹嘉豪。

圖4：器件原理示意圖

 

 

李攜曦課題組研究報(bào)告了用于表面粗糙度測(cè)量的微型GaN器件的制造和表征。通過(guò)晶圓級(jí)工藝制造的單片GaN器件可提供發(fā)光和光電檢測(cè)功能，測(cè)量光波經(jīng)過(guò)不同粗糙度界面反射后的強(qiáng)度變化，從而能夠檢測(cè)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(jì)量進(jìn)行比較，證明了其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單、原位測(cè)量能力等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)實(shí)際和工業(yè)表面計(jì)量應(yīng)用具有重要價(jià)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(jí)博士生尹嘉豪。

圖5：（a）在光滑和粗糙樣品上測(cè)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。

 

 

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(guò)優(yōu)化的電極設(shè)計(jì)，電流可以均勻地注入細(xì)長(zhǎng)的芯片中，實(shí)現(xiàn)均勻的光分布，無(wú)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(dòng)電流下分別提升了29.3%和57.9%。通過(guò)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(qiáng)度密度、均勻照明和提高光輸出的優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)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