研究背景
随着电子和光电子技术的快速发展，集成化和高效能的器件结构引起了广泛关注。近年来，双电子（dualtronic）结构的提出为集成化的电子与光电设备提供了新的可能性。这种结构通过将高电子迁移率晶体管（HEMT）与发光二极管（LED）集成在同一基片上，实现了在一个平台上同时处理电信号和光信号的功能。然而，传统的器件集成方法常常面临着层间生长界面质量差、泄漏路径增多以及光发射效率降低等问题，制约了其应用的发展。
研究内容
为了解决这些问题，康奈尔大学Huili Grace Xing和Debdeep Jena团队在Nature期刊上发表了题为“Using both faces of polar semiconductor wafers for functional devices”的最新论文。研究人员提出了一种新型的双电子集成方案，该方案利用GaN基材的N极面和金属极面分别制作HEMT和LED。这一方法避免了需要选择性去除或再生长外延层的复杂过程，从而降低了对材料界面质量的要求，显著提高了器件的性能。具体而言，该研究通过精确控制器件结构中的电流和光发射，实现了HEMT-LED的高效开关，展示了其在光电集成电路中的潜力。
本研究解决了传统集成方法带来的性能限制问题，采用单片集成技术，实现了在同一GaN基材上同时具备光电子和电子功能的器件。通过对基片的双极性利用，研究人员能够实现高效的电子信号和光信号的结合，这种创新的器件结构不仅降低了元件数量，节省了材料和成本，还为未来微型LED和透明薄膜晶体管的结合开辟了新的道路。此外，基于双电子结构的器件可以拓展到更广泛的应用场景，例如新型的射频放大器和光电模块，推动更高集成度和更小体积的通信系统的发展。
图文解读
1. 实验首次实现了单片集成的高电子迁移率晶体管（HEMT）与发光二极管（LED），展示了双电子光子器件的可行性。
2. 实验通过对GaN基底的双极性结构进行优化，成功实现了HEMT的反向栅极效应，显著提高了器件的电流控制能力。实验结果表明，当顶栅电极浮空时，LED的阴极电压能以指数方式调控HEMT的漏电流，提供了新的功能。
3. 研究表明，该双电子光子结构可实现光电设备和射频电子设备的集成，减少了所需组件数量，从而降低了成本和面积，提升了整体性能。
4.利用双极性GaN材料的特性，本文展示了在同一晶片上集成不同极性器件的潜力，为未来光电集成电路提供了新思路。
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
本文的研究揭示了双电子技术（dualtronics）的潜力，通过将HEMT和LED集成在同一块GaN基片上，推动了新型光电器件的发展。这种单片集成不仅提高了器件的功能性，还减少了组件数量，优化了材料利用，具有显著的成本效益。研究中指出，利用N极和金属极的极性差异，可以在同一基片上实现高效的光电和电子功能，拓展了微型LED与透明薄膜晶体管的结合可能。这一方法避免了传统器件集成中常见的层间剥离和再生长所带来的损害，提供了更为理想的生长界面。
此外，双电子结构能够同时支持高效的光发射和电子运算，为通信系统中发射与接收模块的紧凑集成奠定了基础。未来，这种集成技术有望在超宽带隙极性半导体中实现声波、微波和光波的协同应用，推动新型射频和功率电子器件的发展。这些研究成果不仅为光电子领域开辟了新的研究方向，也为相关应用提供了理论支持，展现出广阔的科技前景。
该工作发表在Nature上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07983-z
（来源：低维材料前沿）