研究背景
隨著電子和光電子技術的快速發展，集成化和高效能的器件結構引起了廣泛關注。近年來，雙電子（dualtronic）結構的提出為集成化的電子與光電設備提供了新的可能性。這種結構通過將高電子遷移率晶體管（HEMT）與發光二極管（LED）集成在同一基片上，實現了在一個平臺上同時處理電信號和光信號的功能。然而，傳統的器件集成方法常常面臨著層間生長界面質量差、泄漏路徑增多以及光發射效率降低等問題，制約了其應用的發展。
研究內容
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構中的電流和光發射，實現了HEMT-LED的高效開關，展示了其在光電集成電路中的潛力。
本研究解決了傳統集成方法帶來的性能限制問題，采用單片集成技術，實現了在同一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，研究人員能夠實現高效的電子信號和光信號的結合，這種創新的器件結構不僅降低了元件數量，節省了材料和成本，還為未來微型LED和透明薄膜晶體管的結合開辟了新的道路。此外，基于雙電子結構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的發展。
圖文解讀
1. 實驗首次實現了單片集成的高電子遷移率晶體管（HEMT）與發光二極管（LED），展示了雙電子光子器件的可行性。
2. 實驗通過對GaN基底的雙極性結構進行優化，成功實現了HEMT的反向柵極效應，顯著提高了器件的電流控制能力。實驗結果表明，當頂柵電極浮空時，LED的陰極電壓能以指數方式調控HEMT的漏電流，提供了新的功能。
3. 研究表明，該雙電子光子結構可實現光電設備和射頻電子設備的集成，減少了所需組件數量，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 | 雙電子外延異質結構的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單片開關測量。
結論展望
本文的研究揭示了雙電子技術（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，還減少了組件數量，優化了材料利用，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合可能。這一方法避免了傳統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，雙電子結構能夠同時支持高效的光發射和電子運算，為通信系統中發射與接收模塊的緊湊集成奠定了基礎。未來，這種集成技術有望在超寬帶隙極性半導體中實現聲波、微波和光波的協同應用，推動新型射頻和功率電子器件的發展。這些研究成果不僅為光電子領域開辟了新的研究方向，也為相關應用提供了理論支持，展現出廣闊的科技前景。
該工作發表在Nature上
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07983-z
（來源：低維材料前沿）