南科大深港微電子學院在寬禁帶半導體器件領域取得系列研究進展

隨著新能源汽車、高鐵以及一些極端環境下應用的需求新增,對應相關領域電力系統的高壓高功率、抗輻射耐高溫的高性能電晶體電子器件越來越受到關注。在內燃機中,碳氫燃料的燃燒會產生固體含碳顆粒物,造成空氣污染,嚴重者會導致心肺及其他相關健康問題。論文第一作者為南科大深港微電子學院2021級博士生尹嘉豪。

近日,南方科技大學深港微電子學院教授於洪宇課題組和助理教授李攜曦課題組在寬禁帶電晶體功率器件領域取得系列進展,特色研究成果包括高性能Ga2O3功率二極體製備方法、基於GaNHEMT器件的含碳顆粒物感測器、具有片上光電探測器的GaN基白光發光二極體、非接觸式表面粗糙度量測器件和高性能GaN條形發光二極體。相關成果分別發表於國際微電子器件期刊IEEE Transactions on Electron Devices和感測器期刊Sensors and Actuators: B Chemical上。

高性能Ga2O3功率二極體製備方法

隨著新能源汽車、高鐵以及一些極端環境下應用的需求新增,對應相關領域電力系統的高壓高功率、抗輻射耐高溫的高性能電晶體電子器件越來越受到關注。氧化鎵(β-Ga2O3)具有超寬禁帶寬度(~4.9 eV)、高擊穿電場(~8 MV/cm)、高的熱穩定性和化學穩定性等特點,並且可以通過經濟高效的熔體法製備技術進行單晶生長,具有大規模低成本製造的潜力,被認為是未來支撐能源、資訊、交通、製造等領域快速發展的新一代半導體材料。其中,二極整流管是體現Ga2O3優勢的一個重要應用,於洪宇團隊通過在Ga2O3二極體的肖特基介面插入一層鋁反應層,提升了器件金屬電晶體介面的質量,取得了超低的亞閾值擺幅,降低了漏電,改善了器件的均一性和良率。

圖1:Ga2O3功率二極體介面TEM圖、EDS元素分析及其電學測試結果

相關成果以“Improvement ofβ-Ga2O3 MIS-SBD Interface Using Al-Reacted Interfacial Layer”為題發表於IEEE Transactions on Electron Devices,南科大微電子學院博士研究生何明浩為第一作者,該工作得到了廣東省科學技術廳和深圳科技創新委員會的項目支持。

基於AlGaN/GaN HEMT器件的柴油發動機含碳燃燒顆粒物感測器

在內燃機中,碳氫燃料的燃燒會產生固體含碳顆粒物,造成空氣污染,嚴重者會導致心肺及其他相關健康問題。於洪宇教授團隊基於AlGaN/GaN HEMT器件開發了用於探測廢氣中污染微顆粒的PM感測器,感測器表面顆粒物吸收速率達到0.25μg/min,在20秒後得到5.52%的響應以及4.44 mA的大訊號波動,實現了快速回應時間,解决了傳統水准插指電極(IDE)碳顆粒物感測器中普遍存在的死區時間問題。器件相應訊號在顆粒物沉積10分鐘後達到34.72%(27.94 mA)的峰值,並且在600°C的空氣環境中熱再生後能够依舊運行。

相關成果以“Application of a gateless AlGaN/GaN HEMT sensor for diesel soot particulate detection”為題發表在Sensors and Actuators: B Chemical,南科大深港微電子學院研究助理教授Robert Sokolovskij為第一作者,本工作得到了廣東省科學技術廳和深圳科技創新委員會的項目支持。

圖2:PM感測器(a)器件橫截面與(b)頂視示意圖

圖3:(a)無栅感測器輸出曲線隨顆粒物沉積時間變化;(b)和(c)為20秒沉積時間後的感測器表面SEM圖;(e)PM沉積後和(f)600°C熱再生後的器件圖。

具有片上光電探測器的GaN基白光發光二極體

李攜曦課題組提出在GaN基外延晶片上集成光源和微型光電探測器,以監測發光強度變化,並通過覆蓋螢光粉實現白光照明。通過理論模擬模擬,探究了探測器位置與探測效率的關係,並通過實驗驗證了類比結果的準確性。與位於邊緣的探測器相比,位於中心位置的設計可以實現58%的光强檢測效率提升。研究還發現,片上探測器的探測能力與傳統的外部光電探測器相當,其回應時間小於1μs。相關成果以“Phosphor-Based InGaN/GaN White Light-Emitting Diodes With Monolithically Integrated Photodetectors”為題發表於IEEE Transactions on Electron Devices。論文第一作者為南科大深港微電子學院2021級博士生尹嘉豪。

圖4:器件原理示意圖

非接觸式表面粗糙度量測器件

李攜曦課題組研究報告了用於表面粗糙度量測的微型GaN器件的製造和表徵。通過晶圓級工藝製造的單片GaN器件可提供發光和光電檢測功能,量測光波經過不同粗糙度介面反射後的强度變化,從而能够檢測到0.025μm到1.6μm的平均表面粗糙度範圍。研究人員將傳感效能與光纖計量進行比較,證明了其實時監測運動表面粗糙度的能力。本器件具有非接觸、非破壞性、結構緊湊、操作簡單、原位量測能力等優點,對實際和工業表面計量應用具有重要價值。

相關成果以“A Miniature GaN Chip for Surface Roughness Measurement”為題發表於IEEE Transactions on Electron Devices。論文第一作者為深港微電子學院2021級博士生尹嘉豪。

圖5:(a)在光滑和粗糙樣品上量測的器件側視光學影像;(b)在高和低表面粗糙度下發生的光散射示意圖。

高性能GaN條形發光二極體

李攜曦課題組提出了一種尺寸為7500μm×300μm的GaN條形發光二極體(LED)。通過優化的電極設計,電流可以均勻地注入細長的晶片中,實現均勻的光分佈,無需使用外部光學元件。與傳統的方形LED相比,條形LED的出光功率在400mA和1000mA的驅動電流下分別提升了29.3%和57.9%。通過用黃色螢光粉薄膜覆蓋晶片,也可以證明白光發射。條形LED具有降低發光強度密度、均勻照明和提高光輸出的優點,不僅適用於各種照明應用,還可以用作顯示幕的背光單元。相關成果以“High-Performance III-Nitride Light-Emitting Diode Stripes”為題發表在IEEE Transactions on Electron Devices。論文共同第一作者為南科大訪問碩士生金浩天和博士生陳亮。

圖6:(a)傳統方形LED和(b)本研究提出的條形LED的光學影像。

以上五篇文章,南科大均是論文第一單比特。

論文連結:

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

2、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400521013794?via%3Dihub

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

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

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

資料標籤: 感測器 半導體產業
本文標題: 南科大深港微電子學院在寬禁帶半導體器件領域取得系列研究進展
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656001001514209
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