康奈尔大学研究将极性半导体晶片的两面用于功能器件！

【研究背景】

随着氮化镓（GaN）材料在光电子和高频电子器件中的广泛应用，单片集成氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）和发光二极管（LED）的双电子结构（dualtronics）因其潜在的多功能性而成为研究热点。然而，该技术在器件集成和性能优化方面面临挑战，例如不同极性的材料间的互操作性和高效性的问题。

为此，康奈尔大学Len van Deurzen团队提出了一种新的集成策略，通过利用GaN基底的导电特性，实现HEMT与LED的共存与功能耦合。这项研究表明，该双电子结构不仅在光电性能上显著提升，同时还实现了在同一片晶圆上同时操作电子和光子，开辟了微型LED与透明薄膜晶体管（TFT）集成的新路径。研究成果显示，这种单片集成技术能够有效降低器件尺寸和成本，同时提高器件的整体效率，为未来的光电集成电路和通信系统的开发提供了新的技术基础。

【仪器解读】

本文通过双电子结构的原理，具体来说，结合氮极和金属极的特性，首次研发了单片HEMT-LED设备，从而表征发现了背栅效应的可调控制，最终揭示了这一新型双电子装置在光电集成电路中的潜力。

针对HEMT-LED的集成现象，本文通过电气特性分析，得到了高效的光输出和灵活的开关性能，进而挖掘了在相同基板上实现微型LED和透明TFT的可能性。在此基础上，通过电流-电压特性、光电发射测量及扫描探针显微镜等表征手段，着重研究了双电子器件在集成光电功能中的优势。

该研究不仅提供了新型器件的结构和功能设计思路，还展示了通过控制背栅电压实现电流调节的创新方案，进一步推动了宽带隙氮化物半导体在现代电子和光电应用中的发展。这一工作为未来更高效的微型光电集成系统奠定了基础。

【图文解读】

图1：HEMT-LED的等离子体辅助分子束外延生长示意图。

图2：双电子外延异质结构的STEM成像。

图3：双电子器件的制作和成像。

图4：HEMTs和LEDs独立工作时的器件特性。

图5：HEMT-LED单片开关测量。

【结论展望】

本研究通过双电子结构（dualtronics）实现了单片集成的高电子迁移率晶体管（HEMT）和发光二极管（LED），展示了新型电子与光电器件的融合潜力。通过有效利用GaN基底的N极和金属极面，研究人员在同一晶圆上实现了光电功能的多样化。这种集成方式不仅减少了组件数量，从而节省了空间和成本，还克服了传统器件制造中常见的接触降解和光发射衰减等问题。此外，双电子结构的应用为实现新的功率电子和射频电子器件提供了新的可能性，尤其是在无线通信和传感领域。通过结合声学、微波和光学技术，研究结果预示着未来在信息处理与传输方面的创新突破。

文献信息：van Deurzen, L., Kim, E., Pieczulewski, N. et al. Using both faces of polar semiconductor wafers for functional devices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07983-z