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

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。

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。

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

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0.025μm到1.6μm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。

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7500μm×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400mA和1000mA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。

图6：（a）传统方形LED和（b）本研究提出的条形LED的光学图像。

以上五篇文章，南科大均是论文第一单位。

论文链接：

1、 https://ieeexplore.ieee.org/document/9444549

2、 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400521013794?via=ihub

3、 https://ieeexplore.ieee.org/document/9263328

4、 https://ieeexplore.ieee.org/document/9521571

5、 https://ieeexplore.ieee.org/document/9528852