近日，上海大學(xué)張建華教授、任開琳副教授團隊與晶湛半導(dǎo)體合作，在基于GaN 高電子遷移率晶體管(HEMT)的驅(qū)動/發(fā)光/探測單片集成器件方面取得重要研究進展。上海大學(xué)智能顯示芯片團隊創(chuàng)新性地提出了外延一體化的GaN基HEMT與LED單片集成結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過將多InGaN量子阱與多二維電子氣溝道在外延設(shè)計中直接融合，實現(xiàn)了顯示器件及其驅(qū)動器件的單片集成，提高載流子注入效率的同時無需二次外延工藝，實現(xiàn)了高達 2.1 × 10⁵ cd/m²的亮度，是迄今為止基于類HEMT外延的單片集成器件最高值，已達到與傳統(tǒng)Micro-LED同等級的亮度指標，有望用于集成驅(qū)動的高分辨率高刷新率顯示應(yīng)用；同時，該器件作為片上光探測器，實現(xiàn)了5.2 × 10¹? Jones的超高比探測率，有望用于全雙工光通信等應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“Multi-channel LE-HEMT with Highest Luminance in Record towards Micro-display and On-chip High-detectivity Photodetectors”為題，發(fā)表在《IEEE Electron Device Letters》期刊(DOI: 10.1109/LED.2025.3601846)。

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GaN Micro-LED在應(yīng)用中存在LED與Si基驅(qū)動芯片高密度異質(zhì)集成工藝難題，以及引入寄生元件限制開關(guān)頻率等問題?；诖吮尘?，團隊提出并制備了將LED及其驅(qū)動器件HEMT 進行外延一體化設(shè)計的新型單片集成器件結(jié)構(gòu)（如圖1所示，下文簡稱LE-HEMT），在AlGaN/GaN HEMT外延中直接插入InGaN/GaN多量子阱層，并在漏極下方保留 p-GaN提供空穴注入，使InGaN/GaN同時作為LED的多量子阱有源區(qū)和HEMT的多層二維電子氣溝道。該結(jié)構(gòu)不僅提高了載流子注入效率，降低了金屬互連帶來的寄生效應(yīng)，還避免了二次選區(qū)外延，簡化了工藝流程。如圖2所示的2層量子阱和3層量子阱外延結(jié)構(gòu)由晶湛半導(dǎo)體提供。 

圖1 (a) 3層量子阱器件的3D結(jié)構(gòu)示意圖和(b)顯微鏡上視圖

圖2 (a) 2層量子阱和 (b) 3層量子阱外延結(jié)構(gòu)的透射電子顯微鏡圖像

圖3 (a) 2層量子阱和 (b) 3層量子阱的LE-HEMT傳輸特性.

圖4 (a) 不同V_DD下亮度的變化, (b) 不同V_GS下輸出特性，以及(c)2層量子阱和(d)3層量子阱結(jié)構(gòu)在不同I_DS條件下的光譜圖.

圖5 (a) LE-HEMT的亮度隨V_DD和I_DS的變化, (b) LE-HEMT的光輸出功率

圖6 (a) 不同光功率下的I-V特性，(b) 對應(yīng)的比探測率。

實驗結(jié)果表明，LE-HEMT器件在顯示與光電探測方面均具備出色性能。在顯示方面：器件實現(xiàn)了高達 2.1 × 10⁵ cd/m²的創(chuàng)紀錄亮度，是迄今為止單片集成LE-HEMT的最高值，已與傳統(tǒng)的Micro-LED 顯示亮度相當。在 V_DD = 18 V 時實現(xiàn)了 13 W/cm² 的光輸出功率。雖然多InGaN量子阱層的插入增加了柵極到最下方溝道的距離，但是LE-HEMT仍實現(xiàn)了高達 I_on:I_off = 10⁸的開關(guān)電流比，證明平面型柵極仍可對3層量子阱的LE-HEMT 溝道進行有效控制。在進行連續(xù) 24 小時的高壓老化測試后，LE-HEMT 的亮度僅下降1.7%。

在光電探測方面：器件實現(xiàn) 10^-13A 的超低暗電流，在光功率密度為1 mW/cm² 的365nm紫外光照射下，實現(xiàn)了 I_light/I_dark = 10⁷的高亮暗電流比。器件具備5.2 × 10¹? Jones的比探測率，表明其能夠從噪聲中檢測極弱光信號。本研究為顯示像素、驅(qū)動器件及片上光探測器的單片集成提供了新設(shè)計，有望拓展高分辨率高刷新率 Micro-LED 顯示和全雙工可見光通信等潛在應(yīng)用。

上海大學(xué)微電子學(xué)院碩士研究生朱紀君為論文第一作者，上海大學(xué)微電子學(xué)院任開琳副教授為通訊作者，上海大學(xué)張建華教授、殷錄橋教授以及晶湛半導(dǎo)體程凱博士、向鵬博士對該工作提供了重要支持和指導(dǎo)。本研究得到國家自然科學(xué)基金（項目編號：62204150）、上海市自然科學(xué)基金（項目編號：23ZR1422500）以及上海市汽車智能網(wǎng)聯(lián)交互芯片與系統(tǒng)重點實驗室的支持。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11141017