这种半导体有两面性，并且同时具有多种功能
氮化镓基半导体一直是高频和电力电子领域的福音。它们还彻底改变了节能 LED 照明。但没有一种半导体晶圆能够同时高效地实现这两项功能。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，开发出了第一款双面（或称“双电子”）芯片，该芯片可同时结合光子和电子功能，这一创新可以缩小功能设备的尺寸，使其更节能，并降低制造成本。
该团队的论文《利用极性半导体晶圆的两面制造功能器件》于 9 月 25 日在《自然》杂志上发表。论文共同作者是博士生 Len van Deurzen 和 Eungkyun Kim。
该项目由康奈尔大学电气与计算机工程学院和材料科学与工程系的 David E. Burr 工程教授 Debdeep Jena 以及威廉·L·夸肯布什 (William L. Quackenbush) 电气与计算机工程教授兼材料科学与工程教授 Huili Grace Xing 领导。
氮化镓 (GaN) 在宽带隙半导体中是独一无二的，因为它沿晶轴具有较大的电子极化，这使其每个表面的物理和化学性质截然不同。镓（或阳离子）一侧已被证明可用于LED 和激光器等光子器件，而氮（或阴离子）一侧可以承载晶体管。
Jena-Xing 实验室着手制造一种功能性设备，其中一侧的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 驱动另一侧的发光二极管(LED)——这是任何材料都无法实现的壮举。
“据我们所知，没有人能制造出双面有源器件，即使是硅片也没有，”范德岑说。“原因之一是，硅片的两面都使用硅片并不能获得额外的功能，因为它是立方体，两面基本上是一样的。但氮化镓是一种极性晶体，因此一侧的物理和化学性质与另一侧不同，这为我们设计器件提供了额外的空间。”
该项目最初由 Jena 和前博士后研究员 Henryk Turski（该论文的共同资深作者）以及 Jena 和 Xing 在康奈尔大学构思。Turski 与波兰科学院高压物理研究所的一个团队合作，在厚度约为 400 微米的单晶圆上生长透明的 GaN 衬底。
随后，HEMT 和 LED 异质结构在波兰通过分子束外延生长。外延完成后，芯片被运往康奈尔大学，Kim 在那里在氮极性面上构建和加工了 HEMT。
“氮极性侧的化学反应性更强，这意味着在器件加工过程中，电子通道很容易被损坏，”Kim 说道。“氮极性晶体管制造的挑战在于确保所有等离子工艺和化学处理不会损坏晶体管。因此，在制造和设计该晶体管时，必须进行大量的工艺开发。”
接下来，van Deurzen 在金属极性面上制作 LED，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，发现它们没有变化。
“这实际上是一个非常可行的过程，”范德岑说。“设备不会退化。如果你想把它作为一项真正的技术，这显然很重要。”
由于之前没有人制造过双面半导体器件，该团队不得不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，并将晶圆的一侧用引线键合到玻璃板上，这样他们就可以从顶部探测晶圆的两侧。
由于 GaN 衬底在整个可见光范围内都是透明的，因此光线能够穿透。单个 HEMT 器件成功驱动大型 LED，以千赫兹频率打开和关闭 LED —— 这对于工作 LED 显示器来说已经足够了。
目前，LED 显示器具有单独的晶体管和独立的制造工艺。Dualtronic 芯片的直接应用是微型 LED：组件更少，占用空间更小，需要的能源和材料更少，制造速度更快，成本更低。
“一个很好的类比就是 iPhone，”Jena 说道。“当然，它只是一部手机，但它还有很多其他功能。它既是计算器，又是地图，还能让你上网。所以它有一点融合的方面。我想说，我们在本文中首次展示的‘双电子’可能是两三种功能的融合，但实际上它的意义远不止于此。
“现在，你可能不再需要不同的处理器来执行不同的功能，并减少了它们之间互连时需要更多电子和逻辑而损失的能量和速度。通过这次演示，许多功能都缩小到了一个晶圆中。”
其他应用包括互补金属氧化物半导体 (CMOS) 器件，一侧带有极化诱导的 n 沟道晶体管（使用电子），另一侧带有 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，它们可用作体声波谐振器，用于过滤和放大 5G 和 6G 通信中的射频信号。这些半导体还可以结合激光器而不是 LED 来实现“LiFi”（即基于光的）传输。
“你可以从本质上扩展这一技术，以实现光子、电子和声学设备的融合，”van Deurzen 说道。“就你能做什么而言，你的想象力基本上是有限的，当我们在未来尝试时，可能会出现一些尚未开发的功能。”
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