氮化鎵基半導體為高頻和電力電子領域帶來了福音。他們也徹底改變了節能 LED 照明。但還沒有任何半導體晶圓能夠同時有效率地實現這兩種功能。

現在，康乃爾大學的研究人員與波蘭科學院的一個團隊合作，開發了第一個雙面（或「雙電子」）晶片，它同時結合了光子和電子功能，這項創新可以縮小晶片的尺寸。

該團隊的論文“將極性半導體晶圓的兩面用於功能元件”，發表於 9 月 25 日自然。共同主要作者是博士生 Len van Deurzen 和 Eungkyun Kim。

該計畫由電機與電腦工程學院和材料科學與工程系 David E. Burr 工程教授 Debdeep Jena 和電機與電腦工程 William L. Quackenbush 教授 Huili Grace Xing 領導。 。

氮化鎵（GaN）在寬頻隙半導體中是獨一無二的，因為它沿著晶軸具有很大的電子極化，這使得它的每個表面具有顯著不同的物理和化學性質。鎵或陽離子側已被證明可用於光子裝置例如 LED 和雷射器，而氮或陰離子一側可以容納晶體管。

Jena-Xing 實驗室著手製造一種功能裝置，其中一側驅動高電子遷移率電晶體 (HEMT)發光二極體另一方面（LED）——這是任何材料都無法實現的壯舉。

van Deurzen 表示：“據我們所知，沒有人製造過雙面有源器件，即使是矽也沒有。”「原因之一是，使用矽晶片的兩面並不能獲得額外的功能，因為它是立方體；兩面基本上相同。但氮化鎵是一種極性晶體，因此一面具有與另一面不同的物理和化學性質。

該計畫最初是由耶拿和前博士後研究員亨利克·圖爾斯基（該論文的共同高級作者）以及耶拿和邢在康乃爾大學構思的。Turski 與波蘭科學院高壓物理研究所的團隊合作，在大約 400 微米厚的單晶晶片上生長透明的 GaN 基板。

HEMT 和 LED 異質結構隨後在波蘭由分子束外延。外延完成後，晶片被運送到康奈爾大學，在那裡 Kim 在氮極面上建造並加工了 HEMT。

「氮極性面的化學反應性更強，這意味著在裝置加工過程中，電子通道很容易被損壞，」金說。“氮極性電晶體製造的一個挑戰是確保所有等離子體工藝和化學處理不會損壞晶體管。因此，為了製造和設計該晶體管，必須進行大量製程開發。”

接下來，van Deurzen 將 LED 建構在金屬極性面上，並使用厚的正性光阻塗層來保護先前處理過的 n 極性面。在每個階段之後，研究人員測量了各自的設備特性，發現它們沒有改變。

「這其實是一個非常可行的過程，」范德爾岑說。“這些設備不會退化。如果你想將其用作真正的技術，這一點顯然很重要。”

由於以前沒有人製造過雙面半導體裝置，因此團隊必須發明一種新方法來測試和測量它。他們組裝了一塊「粗糙的」雙面塗層玻璃板，並將晶圓的一側引線鍵合到其上，這使得他們能夠從頂部探測兩側。

由於 GaN 基板在整個可見光範圍內都是透明的，因此光能夠透過。單一 HEMT 裝置成功驅動了一個大型 LED，以千赫茲頻率打開和關閉它，這對於正常工作的 LED 顯示器來說足夠了。

目前，LED顯示器具有獨立的電晶體和獨立的製造流程。Dualtronic 晶片的直接應用是 microLED：組件更少，佔用空間更小，需要更少的能源和材料，並且製造速度更快，成本更低。

「iPhone 就是一個很好的類比，」Jena 說。「當然，它是一部手機，但它還有很多其他東西。它是計算器，是地圖，它可以讓你檢查互聯網。所以它有一點融合的方面。我會說我們的第一個演示本文中的「雙電子學」可能是兩個或三個功能的融合，但實際上它的範圍比這更大。

「現在，您可能不需要不同的處理器來執行不同的功能，並減少它們之間的互連中的能量和速度損失，這需要進一步的電子和邏輯。透過這次演示，其中許多功能都縮小到一個晶圓中。

其他應用包括互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 元件，其一側具有極化感應 n 通道電晶體（使用電子），另一側具有 p 通道電晶體（包含電洞）。

此外，由於GaN基板具有較高的壓電係數，因此可用作體聲波諧振器，用於過濾和放大5G和6G通訊中的射頻訊號。半導體還可以採用雷射而不是 LED 來實現“LiFi”（即基於光的傳輸）。

van Deurzen 說：“你基本上可以擴展它，以實現光子、電子和聲學設備的融合。”“在你能做什麼方面，你基本上受到你的想像力的限制，當我們將來嘗試它們時，可能會出現未開發的功能。”