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晶圆级光学制造
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AlN/GaN/AlN 高电子器件中 94 GHz 时为 2.2 W/mm
通过AlGaN/GaN/InGaN结构实现8 W mm 1，通过N极性GaN HEMT实现94 GHz时8 W mm 1 [3]。这些结果对于商业（5G及以上、汽车雷达）和国防（SATCOM、雷达）应用越来越重要，所有这些应用都在向毫米波频率范围（30 – 300 GHz）推进。为了进一步提高GaN HEMT的优势，我们的研究小组在氮化铝（AlN）缓冲层上引入了HEMT。[4 – 6]通过用AlN替换AlGaN顶部势垒并用AlN替换典型的GaN缓冲层，AlN/GaN/AlN异质结构具有更高的热导率、改善了薄GaN通道（<30nm）的载流子限制，并且与其他传统顶部势垒材料（如AlGaN或InAlN）相比，顶部势垒具有出色的垂直可扩展性。其他研究小组也展示了基于AlN 的器件的有希望的结果，包括基于AlN 衬底的HEMT，在X 波段实现15 W mm 1 [7] ，AlN 缓冲区击穿功率为 5 MV cm 1 [8] 。已经展示了使用AlN 顶部势垒的HEMT，包括GaN HEMT 记录f T = f max 为454/444 GHz，[9 – 11] PAE 为27% ，相关输出功率为1.3 W的W 波段功率放大器，[12] 噪声系数小于2的K a 波段低噪声放大器，[13] 以及40 GHz 时为4.5 W mm 1 [14] 。所有这些器件都基于AlN/GaN/AlGaN 异质结构。 AlN/GaN HEMT 已显示出 Ga 极性 HEMT 在 W 波段的创纪录输出功率，在 94 GHz 时 P out ¼ 4 W mm 1。[15] 除了射频 (RF) HEMT 之外，氮化铝还具有单片集成大电流 GaN/AlN p 型场效应晶体管 (pFET) [16 – 18] 和晶体 AlN 体声波滤波器 [19] 的潜力，这两者都是通过 AlN 缓冲层实现的。SiC 衬底以衬底集成波导 (SIW) 和天线的形式实现了进一步的集成。[20] 这种集成生态系统被称为 AlN 平台，使高功率氮化物互补金属氧化物半导体 (CMOS)、RF 滤波器、单片微波集成电路 (MMIC) 以及 RF 波导和天线共存于一个单片芯片上。[21]
由于优异的光电性能，先进纳米材料越来越受到学术界和工业界的关注（刘
先进纳米材料因其出色的光电特性，受到学术界和工业界越来越多的关注（Liu et al.，2020）。近年来，人们致力于开发高性能纳米材料，这使得其在广泛的光电应用中具有巨大潜力（Kong et al.，2021；Niu et al.，2021），特别是在发光二极管 (LED) 和太阳能电池 (SC) 方面。我们非常高兴地推出这期题为“用于发光二极管和太阳能电池的先进纳米材料”的特刊。本期特刊从不同角度强调了材料-器件研究的主要意义，结合了现代实验方法和理论模拟。我们从这个令人兴奋的领域收集了 10 篇特色文章，涵盖了用于 LED 和 SC 开发的先进纳米材料的新兴概念、策略和技术。简化的有机 LED（OLED）结构和可行的制造工艺在照明中起着关键作用。 Xu 等人结合了超薄非掺杂发射纳米层（0.3 纳米），展示了低效率滚降和结构简单的 OLED。同时，Xie 等人通过使用含硼和氮原子的分子作为客体发射极，开发了溶液处理的蓝色热激活延迟荧光 OLED，其半峰全宽较窄为 32 纳米，获得高色纯度 OLED。另一方面，开发新型溶液处理的空穴注入材料对于高性能 OLED 至关重要。Zhu 等人合成了二硫化钼量子点（MoS 2 QDs）并展示了具有混合聚（3,4-乙烯二氧噻吩）/聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）/QDs 空穴注入层的绿色磷光 OLED。采用PEDOT:PSS/MoS 2 空穴注入层的OLED最大电流效率为72.7 cd A −1，比单一PEDOT:PSS的OLED高28.2%，表明以硫化物QD作为空穴注入层是实现高效OLED的有效方法。GaN基LED也是很有前途的照明和显示设备。Zhang等人从实验和数值两个方面系统地研究了台面尺寸减小对InGaN/GaN LED两个横向维度的影响，为设备小型化提供了见解。而Lu等人制作并展示了各种尺寸的应变减小微型LED，并研究了尺寸对光学特性和量子阱铟浓度的影响。他们的工作为实现微型LED的高功率性能提供了经验法则。另一方面，Liu等人对GaN基LED进行了系统的研究，提出了一种新的方法来降低应变，提高LED的效率。采用氢化物气相外延与激光剥离技术联合制备缓冲层，在双抛光蓝宝石衬底上制备了厚度约为250 μm的2英寸自支撑GaN衬底，为高功率GaN基器件提供了一条途径。
宽带隙器件特刊社论：设计、制造和应用
新兴的宽带隙 (WBG) 半导体有望推动全球产业发展，就如同 50 多年前硅 (Si) 芯片的发明推动了现代计算机时代的到来一样。基于 SiC 和 GaN 的器件正开始变得更加商业化。与同类的基于 Si 的元件相比，这些 WBG 器件更小、更快、更高效，在更严苛的操作条件下也能提供更高的可靠性。此外，在此框架下，一种新型微电子级半导体材料被创造出来，其带隙甚至比之前建立的宽带隙半导体（如 GaN 和 SiC）还要大，因此被称为“超宽带隙”材料。这些材料包括 AlGaN、AlN、金刚石和 BN 氧化物基材料，它们在理论上具有更优越的性能，包括更高的临界击穿场、更高的工作温度和潜在的更高辐射耐受性。这些特性反过来又使得革命性的新器件可用于极端环境成为可能，例如高效功率晶体管（因为巴利加品质因数有所提高）、超高压脉冲功率开关、高效 UV-LED、激光二极管和 RF 电子设备。本期特刊发表了 20 篇论文，重点关注基于宽带隙的器件：设计、制造和应用。三篇论文 [1-3] 涉及未来 5G 应用和其他高速高功率应用的 RF 功率电子设备。其中九篇论文 [4-12] 探讨了宽带隙高功率器件的各种设计。其余论文涵盖了基于宽带隙的各种应用，如用于提高 GaN 基光子发射器光子提取效率的 ZnO 纳米棒 [13]、InGaZnO 薄膜晶体管 [14]、宽带隙 WO3 薄膜 [15]、银纳米环 [16、17] 和 InGaN 激光二极管 [18-20]。特别是在 RF GaN 器件方面，Kuchta 等人 [1] 提出了一种基于 GaN 的功率放大器设计，该设计降低了透射率畸变。Lee 等人 [2] 展示了一种用于 2.5 至 6 GHz 干扰系统的紧凑型 20 W GaN 内部匹配功率放大器，它使用高介电常数基板、单层电容器和分流/串联电阻器实现低 Q 匹配和低频稳定。 Lin 等人 [3] 通过集成厚铜金属化层实现了 Ka 波段 8.2 W/mm 的高输出功率密度。关于 GaN 功率器件，Wu 等人 [4] 研究了一种双 AlGaN 势垒设计以实现增强模式特性。Ma 等人 [5] 介绍了一种使用 GaN 的数字控制 2 kVA 三相分流 APF 系统。Tajalli 等人 [6] 通过进行缓冲分解研究了 GaN-on-Si 外延结构中垂直漏电和击穿的起源。可以确定每个缓冲层与垂直漏电和击穿电压相关的贡献。Sun 等人 [7] 研究了 GaN-on-Si 外延结构中垂直漏电和击穿电压的分布。[7] 提出了一种利用 TCAD 实现常关型 GaN HEMT 的新方法。该概念基于将栅极沟道方向从长水平方向转置为短垂直方向。Mao 等 [8] 在 IGBT 的集电极侧引入了一部分 p-polySi/p-SiC 异质结，以在不牺牲器件其他特性的情况下降低关断损耗。Kim 等 [9] 实现了 SiC 微加热器芯片作为下一代功率模块的新型热评估设备，并评估了其耐热性能。