该半导体有两个侧面，并且具有许多同时功能

氮化镓基半导体为高频和电力电子领域带来了福音。它还彻底改变了节能 LED 照明。但还没有任何半导体芯片能够同时高效地完成这两项任务。

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，成功开发了第一个双面芯片或“双电子学”，它同时结合了光子和电子功能，这一创新将减少功能性芯片的尺寸。设备并提高其效率，减少能源使用并降低制造成本。

团队论文，使用极性半导体芯片的两面作为功能器件该研究于 9 月 25 日发表在《自然》杂志上。共同主要作者是博士生 Lin van Deurzen 和 Ingkyun Kim。

该项目是在领导下实施的 深深珍娜，电气与计算机工程学院和材料科学与工程系 David E. Burr 工程教授，以及 盛慧丽，威廉·L.教授Quackenbush 教授电气和计算机工程以及材料科学与工程，均在康奈尔大学工程学院。

氮化镓 (GaN) 在宽带隙半导体中是独一无二的，因为它沿晶轴具有显着的电子极化，使其每个表面具有显着不同的物理和化学特性。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）一侧可以容纳晶体管。

这 珍娜盛实验室 研究人员着手制造一种功能器件，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）——这是任何其他材料从未实现过的壮举。

van Deurzen 表示：“据我们所知，没有人制造出双面都有效的器件，即使是硅器件也是如此。” “一个原因是，使用硅晶片的两面无法获得额外的功能，因为它是立方体；两面基本相同。但氮化镓是一种极性晶体，因此一面具有与另一面不同的物理和化学性质。其他，为我们提供了一定程度的额外硬件设计。

该项目最初是由吉娜和前博士后研究员亨里克·图斯基（该研究的共同主要作者之一）以及吉娜和邢在康奈尔大学构思的。 Turski与波兰科学院高压物理研究所的一个团队合作，在约400微米厚的单晶晶片上生长透明的GaN衬底。然后，HEMT 和 LED 异质结构在波兰通过分子径向传播生长。径向复制完成后，载玻片被运送到康奈尔大学，在那里 Kim 在氮极面上构建并加工了 HEMT。

“氮极性面的化学反应性更强，这意味着在器件加工过程中，电子通道很容易被损坏，”Kim 说。 “制造氮极性晶体管的挑战是确保所有等离子体和化学处理不会损坏晶体管，因此为了制造和设计这种晶体管，必须进行大量的工艺开发。”

然后，Van Deurzen 将 LED 构建到金属电极面上，并使用厚的光刻胶层来保护经过预处理的电极面。每个阶段之后，研究人员测量了自己设备的特性，发现它们没有变化。

“这实际上是一个非常可行的过程。硬件不会恶化。如果你想将这项技术用作真正的技术，这显然很重要，”Van Deurzen 说。

由于之前没有人制造过双面半导体器件，因此该团队必须设计一种新的方法来测试和测量它。他们组装了一块双面“原始”玻璃板，并将芯片的一侧固定在其上，以便他们从上方检查两侧。由于 GaN 衬底在整个可见光范围内都是透明的，因此光能够穿过它们。单个 HEMT 成功为一个大型 LED 供电，以千赫兹频率打开和关闭它——足以用于 LED 显示屏的工作。

目前，LED显示屏拥有分立晶体管和独立的制造工艺。双极芯片的一个直接应用是 microLED：组件更少，占用空间更小，需要更少的能源和材料，并且制造速度更快、成本更低。

“iPhone 就是一个很好的类比，”吉娜说。 “当然，它是一部电话，但它实际上还有很多其他功能。它是一个计算器，它是一个地图，它可以让你上网，所以我想说这是‘二进制’的第一个演示。本文中的“电子学”可能是两个或三个功能的融合，但现在实际上不止于此。您可能不需要不同的处理器来执行不同的功能，并减少它们之间互连的功耗和速度损失，这需要额外的功能。通过此演示，许多这些功能都被压缩到单个芯片中。

其他应用包括 互补氧化物金属半导体 （(CMOS) 一侧具有极化感应 n 沟道晶体管（使用电子），另一侧具有 p 沟道晶体管（使用空穴）的器件。

此外，由于GaN衬底具有较高的压电系数，因此可以用作通用声波谐振器，以过滤和放大5G和6G通信中的射频信号。半导体还可以使用激光器代替 LED，用于“LiFi”（即基于光的数据传输）。

Van Deurzen 说：“你基本上可以扩展它，以实现光子、电子和声学设备之间的融合，你的想象力基本上限制了你能做什么，当我们将来尝试时，可能会出现未开发的功能。 ”

合著者包括博士生 Naomi Pieczolewski；张志轩，博士2023； 大卫·米勒，工程学教授 Samuel B.康奈尔大学工程学院的埃克特；以及来自华沙波兰科学院高压物理研究所的研究人员。

研究人员已经使用 康奈尔纳米设施，国家纳米技术协调基础设施（NNCI）的成员，该基础设施由国家科学基金会支持，以及 康奈尔材料研究中心 得到美国国家科学基金会材料科学与工程研究中心计划的支持。