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

2022-04-24

近来,南方科技大学深港微电子学院的学术先驱——于洪宇教授与李携曦助理教授,携手在宽禁带半导体功率器件领域实现了多项突破性进展。他们的研究亮点涵盖了一系列创新性成果,包括先进Ga2O3功率二极管的制备技术、基于GaNHEMT的颗粒物传感器设计、集成片上光电探测器的GaN基白光发光二极管开发、非接触式表面粗糙度测量设备的构建以及高性能GaN条形发光二极管的研发。这些研究成果,分别在国际微电子器件领域的顶级期刊IEEE Transactions on Electron Devices与传感器领域权威杂志Sensors and Actuators: B Chemical上发表,彰显了他们在半导体技术前沿的卓越贡献。

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随着新能源汽车、高铁以及面对极端环境的需求激增,相关领域的电力系统对具备高压高功率输出、抗辐射耐高温性能的高端半导体电子元件的关注日益增强。氧化镓展现出引人注目的特性:拥有超宽禁带宽度约4.9 eV、极高的击穿电场高达8 MV/cm,同时兼备卓越的热稳定性和化学稳定性。通过经济高效的熔体法制备技术实现单晶生长,这标志着氧化镓具备了大规模低成本制造的可能性,有望成为支撑能源、信息、交通、制造等领域快速发展的重要半导体材料基石。

在这一领域中,二极整流管以其独特优势脱颖而出。于洪宇团队的创新性研究通过在Ga2O3二极管肖特基界面处引入一层铝反应层,显著提升了金属半导体界面的质量,并且成功降低了亚阈值摆幅,有效减少了漏电现象,从而极大地改善了器件的一致性和生产良率。这一系列突破不仅增强了氧化镓的应用潜力,更为相关技术的未来发展开辟了新的道路。

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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

基于β-Ga2O3 MIS-SBD界面采用Al-反应性介面层的方法,何明浩在南方科技大学微电子学院的研究成果,以“Enhanced β-Ga2O3 MIS-SBD Interface via Al-Reacted Interfacial Layer”为题,在IEEE Transactions on Electron Devices杂志上发表。该研究获得广东省科技厅及深圳科技创新委员会的资金资助,标志着在高效能半导体器件领域的一次显著进展。何明浩作为第一作者的贡献,旨在通过优化介面层结构来提升β-Ga2O3 MIS-SBD的整体性能,这一创新策略有望为相关技术的应用开辟新的途径,并对未来的微电子学研究产生深远影响。

该工作不仅展示了在材料科学和器件工程领域的深邃洞察力,还体现了跨学科合作与技术创新的重要价值。通过采用Al-反应性介面层的策略,研究人员成功地改善了β-Ga2O3 MIS-SBD界面的质量,进而显著提升了相关半导体装置的电学性能。这一成果不仅为理论研究提供了新的视角,而且在实际应用中具有广泛的应用潜力,预示着对现代电子器件和集成系统的关键技术进步。

总之,《改进β-Ga2O3 MIS-SBD界面使用Al-反应性介面层》一文揭示了通过引入特制的铝反应性介面层来优化β-Ga2O3 MIS-SBD界面结构,以此提升整体性能的技术方案。何明浩的研究成果为该领域的研究者和工业开发者提供了一个具有潜在应用价值的新方法,有望推动半导体技术的发展,并在电子学、能源转换等多个关键领域产生积极影响。

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在内燃机运作的过程中,碳氢燃料的燃烧释放出微小固体颗粒物,这些颗粒物不仅构成了大气污染的源头之一,还可能引发包括心肺疾病在内的诸多健康问题。为应对这一挑战,洪宇教授及其团队采取了创新之举,他们基于AlGaN/GaN HEMT技术开发了一款高效PM传感器。

这款传感器在与废气接触时,能够以惊人的速率吸收颗粒物——每分钟250微克,并于20秒内实现高达5.52%的响应率和显著的4.44毫安电流波动。其设计巧妙地解决了传统IDE电极碳颗粒物传感器常有的延迟问题,具备快速响应能力。

在颗粒物沉积10分钟后,该传感器的表现达到峰值——34.72%,展现了优异的性能。更为出色的是,即便在600℃的高温环境下进行热再生处理后,传感器依然能保持正常运作状态,展现出了其出色的稳定性和耐用性。

综上所述,洪宇教授团队所研发的PM传感器不仅为环境监测提供了有力工具,也以高灵敏度、快速响应和持久稳定性为行业树立了新的标杆。

以“基于无栅门AlGaN/GaN HEMT传感器的柴油颗粒物检测应用”为主题,在Sensors and Actuators: B Chemical期刊上发表的研究文章,由南科大深港微电子学院的研究助理教授Robert Sokolovskij担纲第一作者。该项创新研究工作,得到了广东省科学技术厅与深圳科技创新委员会的资金项目资助和有力支持。

此研究成果揭示了一种先进的传感器技术在柴油颗粒物检测领域中的前沿应用。AlGaN/GaN HEMT以其独特的物理特性,在实现高效、灵敏的污染物监测方面展现出显著优势。无栅门设计进一步优化了这一系统,提高了其响应速度和能效。

在Sokolovskij教授的带领下,研究团队通过深入的理论分析与实验验证,详细阐述了该传感器的工作原理以及其对柴油颗粒物的精确检测能力。这一创新性工作不仅为环境监测技术领域提供了新的解决方案,也为未来更精准、高效的污染物监控系统设计奠定了坚实的基础。

广东省科学技术厅和深圳科技创新委员会的资金支持对于推动此研究项目的发展起到了至关重要的作用,促进了科研资源的有效配置与利用。通过跨学科的合作与技术创新,该研究成功地实现了理论知识向实际应用的转化,对提升空气质量监测水平和环境保护具有深远的意义。

总体而言,这一成果不仅体现了南科大深港微电子学院在科学研究领域的卓越贡献,还凸显了中国在清洁能源技术领域取得的重大进展,并为全球范围内减少空气污染、保护公共健康提供了重要的技术支撑。

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图2:PM传感器器件横截面与顶视示意图

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在审视图3时,我们观察到中无栅传感器输出曲线随颗粒物沉积的时间演变动态;随后的与展示了20秒沉积时间下,传感器表面的精细扫描电子显微镜图像,揭示了沉积物质的微观结构。接着,在呈现的是PM沉积后器件的状态,而则对比展示在经过600°C热再生处理后的装置图景,凸显出其恢复与优化的过程和效果。这一系列图像共同描绘了传感器性能随时间变化以及通过热再生技术实现的性能提升过程,不仅揭示了沉积现象的本质,还验证了特定热处理对器件恢复能力的影响。

李携曦课题组的创新研究揭示,通过在GaN基外延芯片上集成光源与微型光电探测器,实现了对发光强度的精准监测,并借助荧光粉覆盖以生成白光照明效果。利用理论仿真技术深入探讨了探测器布局与其检测效率之间的关系,并依托实验方法验证了模拟预测的精确性。

研究发现,相较于边缘位置的探测器设计,中心配置的设计能够实现高达58%的光强检测效率提升。令人瞩目的是,集成于芯片上的探测器在性能上与传统的外部光电探测器相媲美,其响应速度迅捷,低于1微秒的时间阈值。

此研究成果以《基于荧光粉的InGaN/GaN白光发光二极管及共晶整合型光电探测器》为题,在IEEE Transactions on Electron Devices期刊上发表。该项研究的第一作者是来自南方科技大学深港微电子学院2021级的博士生尹嘉豪,其贡献与洞察力在这一领域中展现了前瞻性和创新性。

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图4:器件原理示意图

李携曦课题组成功研发了一款用于精密表面粗糙度测量的微型GaN器件,通过晶圆级制造工艺整合了发光及光电检测功能。这一创新成果允许用户监测光波在不同粗糙度表面上反射时强度的变化,从而能准确捕捉0.025μm至1.6μm范围内的平均表面粗糙度值。

研究团队以光纤计量为参照标准,验证了该GaN器件的实时性能,证明其拥有卓越的运动表面粗糙度监测能力。这款微型GaN传感器具有非接触、无破坏性、紧凑设计、易于操作及实现原位测量的特点,因此在实际应用和工业领域展现了极其重要的价值。

其优越性能得益于GaN材料的独特性质与精心设计的工艺流程,这一成果不仅推动了表面检测技术的进展,还为相关领域的研究者和工程师提供了有力工具。

在《IEEE Transactions on Electron Devices》杂志上,一篇由深港微电子学院2021届的博士研究生尹嘉豪作为第一作者撰写的学术论文,《A Miniature GaN Chip for Surface Roughness Measurement》,探讨并展示了微型GaN芯片在表面粗糙度测量领域的创新性进展。这篇论文深入探索了半导体技术的应用潜力,特别是在精密表征和评估材料表面特性的前沿领域。

尹嘉豪博士及其团队在该研究中,不仅开发出了一种高度集成且尺寸小巧的GaN芯片,而且还对其进行了优化,使其能够高效、准确地用于表面粗糙度的精确测量。这一技术突破为微电子学和材料科学提供了重要的工具,使得研究人员和工程师能够在不同应用领域进行更加精细的表面分析。

该论文不仅强调了GaN芯片在实现高灵敏度和精度方面的优势,还阐述了其在实际工业生产中的潜在应用价值。尹嘉豪博士的贡献,不仅体现在技术层面上,更在于对微电子学研究方向的新开拓,为未来的科学研究提供了新的视角和方法论。

总之,《A Miniature GaN Chip for Surface Roughness Measurement》通过深入探讨微型GaN芯片的应用与优化策略,为表面粗糙度测量领域带来了革命性的改变,尹嘉豪博士的这项工作不仅为学术界树立了研究典范,也为产业界开辟了新的技术路径。

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图5展示了在不同性质样本上的设备立体光学图景,中捕捉到了在平滑与有纹理基底上所观察到的独特外观,而则精细描绘了当光线遭遇高低不一的表面时引发的光散射现象,生动阐述了材质属性对光行为的影响。

基于李携曦课题组的创新性研究,他们设计并制造了一种尺寸达到7500微米乘以300微米的GaN条形发光二极管。通过精心优化电极结构,实现了电流在细长芯片中的均匀注入,从而确保了光分布的一致性和效率。与传统的方形LED不同,该条形LED无需外部光学元件就能实现高效的光输出。

在驱动电流分别为400毫安和1000毫安的情况下,条形LED的出光功率分别提升了29.3%和57.9%,显著超过了现有技术。进一步地,通过在芯片表面覆盖一层黄色荧光粉薄膜,可以产生白光发射,极大地拓宽了应用范围。

这项研究不仅因其高能效而备受瞩目,还以其降低发光强度密度、提供均匀照明及提升光输出量的特性,展现出其在各类照明与显示应用中的潜在优势。该研究成果以“高性能III-Nitride光致发光二极管条带”为题发表在《IEEE电子器件交易》上。

这项研究的共同第一作者包括南科大访问硕士生金浩天和博士生陈亮,他们的贡献对推动LED技术的进一步发展具有重要意义。

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图6:传统方形LED和本研究提出的条形LED的光学图像。

在探索科学的边界时,南方科技大学作为其文章的首选发表平台,彰显了其在全球学术界卓越贡献的地位与影响力。

在追寻知识的旅程中,南方科技大学以其为论文首署单位的身份,不断推动着前沿科学研究的进步,成为国际学术交流中的重要声音。通过这一举措,学校不仅加强了自身的科研实力,同时也促进了跨领域合作和创新思维的碰撞,为全球科学界带来了宝贵的知识财富。

南方科技大学作为研究论文的第一发表机构,体现了其对学术卓越的承诺与追求。这种做法不仅提升了学校的国际声誉,还激发了更多的科学家与研究者参与其中,共同探索未知、解答疑问,推动着人类文明向着更加智慧、创新的方向前进。通过这一平台,研究成果得以被广泛传播和深入探讨,为解决全球面临的挑战提供了科学依据和技术支撑。

总之,南方科技大学作为论文发表的第一单位,不仅标志着其在学术界的领导地位,也体现了对知识共享、合作研究和创新探索的不懈努力与承诺。这种做法促进了科学研究的全球化发展,为人类社会的进步贡献了不可或缺的力量。

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