氮化镓基半导体为高频和电力电子领域带来了福音。他们还彻底改变了节能 LED 照明。但还没有任何半导体晶圆能够同时高效地实现这两种功能。

现在，康奈尔大学的研究人员与波兰科学院的一个团队合作，开发出了第一个双面（或“双电子”）芯片，它同时结合了光子和电子功能，这项创新可以缩小芯片的尺寸。功能设备，使其更加节能并降低制造成本。

该团队的论文“将极性半导体晶圆的两面用于功能器件”，发表于 9 月 25 日自然。共同主要作者是博士生 Len van Deurzen 和 Eungkyun Kim。

该项目由电气与计算机工程学院和材料科学与工程系 David E. Burr 工程教授 Debdeep Jena 和电气与计算机工程 William L. Quackenbush 教授 Huili Grace Xing 领导。材料科学与工程，均在康奈尔大学工程系。

氮化镓（GaN）在宽带隙半导体中是独一无二的，因为它沿着晶轴具有很大的电子极化，这使得它的每个表面具有显着不同的物理和化学性质。镓或阳离子侧已被证明可用于光子器件例如 LED 和激光器，而氮或阴离子一侧可以容纳晶体管。

Jena-Xing 实验室着手制造一种功能器件，其中一侧驱动高电子迁移率晶体管 (HEMT)发光二极管另一方面（LED）——这是任何材料都无法实现的壮举。

van Deurzen 表示：“据我们所知，没有人制造过双面有源器件，即使是硅也没有。”“原因之一是，使用硅晶片的两面并不能获得额外的功能，因为它是立方体；两面基本相同。但氮化镓是一种极性晶体，因此一面具有与另一面不同的物理和化学性质。另一个，这让我们在设备设计方面获得了额外的学位。”

该项目最初是由耶拿和前博士后研究员亨利克·图尔斯基（该论文的共同高级作者）以及耶拿和邢在康奈尔大学构思的。Turski 与波兰科学院高压物理研究所的一个团队合作，在大约 400 微米厚的单晶晶片上生长透明的 GaN 衬底。

HEMT 和 LED 异质结构随后在波兰由分子束外延。外延完成后，芯片被运送到康奈尔大学，在那里 Kim 在氮极面上构建并加工了 HEMT。

“氮极性面的化学反应性更强，这意味着在器件加工过程中，电子通道很容易被损坏，”金说。“氮极性晶体管制造的一个挑战是确保所有等离子体工艺和化学处理不会损坏晶体管。因此，为了制造和设计该晶体管，必须进行大量工艺开发。”

接下来，van Deurzen 将 LED 构建在金属极性面上，并使用厚的正性光刻胶涂层来保护之前处理过的 n 极性面。在每个阶段之后，研究人员测量了各自的设备特性，发现它们没有改变。

“这实际上是一个非常可行的过程，”范德尔岑说。“这些设备不会退化。如果你想将其用作真正的技术，这一点显然很重要。”

由于以前没有人制造过双面半导体器件，因此该团队必须发明一种新方法来测试和测量它。他们组装了一块“粗糙的”双面涂层玻璃板，并将晶圆的一侧引线键合到其上，这使得他们能够从顶部探测两侧。

由于 GaN 衬底在整个可见光范围内都是透明的，因此光能够透过。单个 HEMT 器件成功驱动了一个大型 LED，以千赫兹频率打开和关闭它，这对于正常工作的 LED 显示器来说足够了。

目前，LED显示屏具有独立的晶体管和独立的制造工艺。Dualtronic 芯片的直接应用是 microLED：组件更少，占用空间更小，需要更少的能源和材料，并且制造速度更快，成本更低。

“iPhone 就是一个很好的类比，”Jena 说。“当然，它是一部手机，但它还有很多其他东西。它是计算器，是地图，它可以让你检查互联网。所以它有一点融合的方面。我会说我们的第一个演示本文中的“双电子学”可能是两个或三个功能的融合，但实际上它的范围比这更大。

“现在，您可能不需要不同的处理器来执行不同的功能，并减少它们之间的互连中的能量和速度损失，这需要进一步的电子和逻辑。通过这次演示，其中许多功能都缩小到一个晶圆中。”

其他应用包括互补金属氧化物半导体 (CMOS) 器件，其一侧具有极化感应 n 沟道晶体管（使用电子），另一侧具有 p 沟道晶体管（包含空穴）。

此外，由于GaN衬底具有较高的压电系数，因此可以用作体声波谐振器，用于过滤和放大5G和6G通信中的射频信号。半导体还可以采用激光器而不是 LED 来实现“LiFi”（即基于光的传输）。

van Deurzen 说：“你基本上可以扩展它，以实现光子、电子和声学设备的融合。”“在你能做什么方面，你基本上受到你的想象力的限制，当我们将来尝试它们时，可能会出现未开发的功能。”