【科研聚焦】南科大深港微电子学院在宽禁带半导体器件领域取得系列研究进展

DT半导体材料 2022-04-20 18:00

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近日，南方科技大学深港微电子学院于洪宇教授课题组和李携曦助理教授课题组在宽禁带半导体功率器件领域取得系列进展，特色研究成果包括高性能Ga2O3功率二极管制备方法、基于GaNHEMT器件的含碳颗粒物传感器、具有片上光电探测器的GaN基白光发光二极管、非接触式表面粗糙度测量器件和高性能GaN条形发光二极管。相关成果分别发表于国际微电子器件期刊IEEE Transactions on Electron Devices和传感器期刊Sensors and Actuators: B Chemical上。以下五篇文章，南科大均是论文第一单位。

成果一：高性能Ga2O3功率二极管制备方法

随着新能源汽车、高铁以及一些极端环境下应用的需求增加，对应相关领域电力系统的高压高功率、抗辐射耐高温的高性能半导体电子器件越来越受到关注。氧化镓（β-Ga2O3）具有超宽禁带宽度（~4.9 eV）、高击穿电场（～8 MV/cm）、高的热稳定性和化学稳定性等特点，并且可以通过经济高效的熔体法制备技术进行单晶生长，具有大规模低成本制造的潜力，被认为是未来支撑能源、信息、交通、制造等领域快速发展的新一代半导体材料。其中，二极整流管是体现Ga2O3优势的一个重要应用，于洪宇团队通过在Ga2O3二极管的肖特基界面插入一层铝反应层，提升了器件金属半导体界面的质量，取得了超低的亚阈值摆幅，降低了漏电，改善了器件的均一性和良率。

图1：Ga2O3功率二极管界面TEM图、EDS元素分析及其电学测试结果

相关成果以“Improvement of β-Ga2O3 MIS-SBD Interface Using Al-Reacted Interfacial Layer”为题发表于IEEE Transactions on Electron Devices，南科大微电子学院博士研究生何明浩为第一作者，该工作得到了广东省科学技术厅和深圳科技创新委员会的项目支持。

成果二：基于AlGaN/GaN HEMT器件的柴油发动机含碳燃烧颗粒物传感器

在内燃机中，碳氢燃料的燃烧会产生固体含碳颗粒物，造成大气污染，严重者会导致心肺及其他相关健康问题。于洪宇教授团队基于AlGaN/GaN HEMT器件开发了用于探测废气中污染微颗粒的PM传感器，传感器表面颗粒物吸收速率达到0.25 μg/min，在20秒后得到5.52%的响应以及4.44 mA的大信号波动，实现了快速响应时间，解决了传统水平插指电极（IDE）碳颗粒物传感器中普遍存在的死区时间问题。器件相应信号在颗粒物沉积10分钟后达到34.72%（27.94 mA）的峰值，并且在600 °C的空气环境中热再生后能够依旧运行。

相关成果以“Application of a gateless AlGaN/GaN HEMT sensor for diesel soot particulate detection”为题发表在Sensors and Actuators: B Chemical，南科大深港微电子学院研究助理教授Robert Sokolovskij为第一作者，本工作得到了广东省科学技术厅和深圳科技创新委员会的项目支持。

图2：PM传感器（a）器件横截面与（b）顶视示意图

图3：（a）无栅传感器输出曲线随颗粒物沉积时间变化；（b）和（c）为20秒沉积时间后的传感器表面SEM图；（e）PM沉积后和（f）600 °C热再生后的器件图。

成果三：具有片上光电探测器的GaN基白光发光二极管

李携曦课题组提出在GaN基外延芯片上集成光源和微型光电探测器，以监测发光强度变化，并通过覆盖荧光粉实现白光照明。通过理论仿真模拟，探究了探测器位置与探测效率的关系，并通过实验验证了模拟结果的准确性。与位于边缘的探测器相比，位于中心位置的设计可以实现58%的光强检测效率提升。研究还发现，片上探测器的探测能力与传统的外部光电探测器相当，其响应时间小于1μs。相关成果以“Phosphor-Based InGaN/GaN White Light-Emitting Diodes With Monolithically Integrated Photodetectors”为题发表于IEEE Transactions on Electron Devices。论文第一作者为南科大深港微电子学院2021级博士生尹嘉豪。

图4：器件原理示意图

成果四：非接触式表面粗糙度测量器件

李携曦课题组研究报告了用于表面粗糙度测量的微型GaN器件的制造和表征。通过晶圆级工艺制造的单片GaN器件可提供发光和光电检测功能，测量光波经过不同粗糙度界面反射后的强度变化，从而能够检测到0.025 μm到1.6 μm的平均表面粗糙度范围。研究人员将传感性能与光纤计量进行比较，证明了其实时监测运动表面粗糙度的能力。本器件具有非接触、非破坏性、结构紧凑、操作简单、原位测量能力等优点，对实际和工业表面计量应用具有重要价值。

相关成果以“A Miniature GaN Chip for Surface Roughness Measurement”为题发表于IEEE Transactions on Electron Devices。论文第一作者为深港微电子学院2021级博士生尹嘉豪。

图5：（a）在光滑和粗糙样品上测量的器件侧视光学图像；（b）在高和低表面粗糙度下发生的光散射示意图。

成果五：高性能GaN条形发光二极管

李携曦课题组提出了一种尺寸为7500 μm×300 μm的GaN条形发光二极管(LED)。通过优化的电极设计，电流可以均匀地注入细长的芯片中，实现均匀的光分布，无需使用外部光学元件。与传统的方形LED相比，条形LED的出光功率在400 mA和1000 mA的驱动电流下分别提升了29.3%和57.9%。通过用黄色荧光粉薄膜覆盖芯片，也可以证明白光发射。条形LED具有降低发光强度密度、均匀照明和提高光输出的优点，不仅适用于各种照明应用，还可以用作显示屏的背光单元。相关成果以“High-Performance III-Nitride Light-Emitting Diode Stripes”为题发表在IEEE Transactions on Electron Devices。论文共同第一作者为南科大访问硕士生金浩天和博士生陈亮。