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多通道LE-HEMT实现创纪录最高亮度，面向微显示与片上高探测率光电探测器
Multi-Channel LE-HEMT With Highest Luminance in Record Toward Micro-Display and On-Chip High-Detectivity Photodetectors
| 作者 | Jijun Zhu · Fei Wang · Tianci Miao · Kai Cheng · Peng Xiang · Luqiao Yin |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年8月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | AlGaN/GaN发光HEMT InGaN层 亮度 光输出功率 片上光电探测器 |
语言:
中文摘要
本研究制备了以不同数量的 InGaN 层作为多沟道（MCs）和多量子阱（MQWs）的 AlGaN/GaN 发光高电子迁移率晶体管（LE - HEMT），在 GaN HEMT 外延片上实现了有记录以来的最高亮度。所提出的结构通过将多量子阱与二维电子气沟道直接结合，实现了真正的外延单片集成。研究表明，尽管引入了多沟道，但该结构仍实现了出色的开关比（$I_{\text {on}}$/$I_{\text {off}} = 10^{{8}}$）。获得了高达$2.1 \times 10^{{5}}$ cd/m²的亮度和 13 W/cm²的出色光输出功率，达到了已报道的 LE - HEMT 的最高亮度。此外，该 LE - HEMT 还可用作片上光电探测器，具有飞安级的超低暗电流。在 365 nm 紫外光照射下，该 LE - HEMT 表现出极高的光电流与暗电流比（$I_{\text {light}}$/$I_{\text {dark}}$），约为$10^{{7}}$，并且在偏置电压$V_{\text {DD}} = - 5$ V、光功率密度为 1 mW/cm²时，具有出色的比探测率，达到$5.2 \times 10^{{14}}$ Jones。这项工作为显示像素、其驱动器件以及片上光电探测器的单片集成提供了一种新方法，为其在高刷新率微发光二极管（Micro - LED）显示和全双工可见光通信领域的潜在应用铺平了道路。
English Abstract
In this study, AlGaN/GaN light-emitting HEMT (LE-HEMT) with varying numbers of InGaN layers as both multi-channels (MCs) and multiple-quantum-wells (MQWs) are fabricated, with highest luminance in record being achieved on GaN HEMT epitaxial wafers. The proposed structure achieves true epitaxially monolithic integration by directly incorporating MQWs with the two-dimensional electron gas channels. It is demonstrated that an outstanding switching ratio of I_ on / I_ off = 10^8 is achieved, despite the incorporation of MCs. A luminance of up to 2.1 10^5 cd/m2 and an outstanding light output power of 13 W/cm2 are obtained, achieving the highest reported luminance for LE-HEMTs. Additionally, the LE-HEMT can also be utilized as an on-chip photodetector, with ultra-low dark current of fA level. Under 365 nm UV irradiation, the LE-HEMT exhibits extremely high ratio of photocurrent to dark current ( I_ light / I_ dark ) of about 10^7 and an outstanding specific detectivity of 5.2 10^14 Jones at V_ DD = - 5 V under light power density of 1 mW/cm2. This work provides a novel approach for the monolithic integration of display pixel, its driver device, and also on-chip photodetectors, paving the way for potential applications in both high-refresh-rate Micro-LED displays and full-duplex visible light communications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于AlGaN/GaN异质结构的多通道发光-高电子迁移率晶体管（LE-HEMT）技术，虽然聚焦于微显示和光通信领域，但其底层的GaN功率器件技术与我司在光伏逆变器和储能变流器中的核心技术路线存在显著的协同价值。
该技术实现的108开关比和单片集成能力，展示了GaN器件在高频开关和功率密度提升方面的巨大潜力。对于阳光电源而言，这种多通道结构设计理念可为我司下一代高功率密度逆变器的GaN功率模块开发提供参考。特别是在储能系统的双向变流器应用中，该技术展现的超低暗电流（fA级）和高探测灵敏度特性，启发我们思考将光电探测功能集成到功率器件中，实现系统级的智能化监测，如组件级温度、光照强度的原位感知。
从应用前景看，论文中提到的可见光通信（VLC）双工能力与我司正在探索的光储充一体化场景高度契合。在分布式光伏和储能系统中，利用LED照明设备实现数据传输，可构建低成本、抗电磁干扰的站内通信网络，提升系统智能化水平。
然而，技术挑战同样明显。该技术目前仍处于实验室阶段，其在大功率、高温、长期可靠性等工业级应用场景下的表现尚待验证。对阳光电源而言，可考虑与相关研究机构建立联合实验室，重点评估GaN多通道结构在功率变换器件中的适配性，以及光电集成传感在智慧能源管理系统中的实用化路径，为公司在第三代半导体技术领域的战略布局提供前瞻性储备。