论文合集选 | 宽禁带半导体

索引

1. 高效InGaN纳米蓝色发光二极管

2. 基于电导率控制的GaN纳米线阵列的自供电和柔性压电传感器，可用于模拟快速和慢速适应的机械感受器

3. 超宽带隙半导体Ga2O3功率二极管

4. 分辨率超视网膜极限的量子点集成GaN发光二极管

5. 基于GaN/CsPbBr3核-壳结构纳米线异质结和水凝胶增强自供电紫外光电探测器的响应度和响应速度

6. 基于压电-光电子效应增强光电响应的自供电高性能柔性GaN/ZnO异质结紫外光电探测器

#1

高效InGaN纳米蓝色发光二极管

为了解决InGaN基微发光二极管（μLEDs）的外量子效率随尺寸的减小而降低的问题，使其满足日益增长的高性能显示应用需求，近日，韩国三星显示的Mihyang Sheen等研究人员开发出了一种具有高外量子效率的蓝色InGaN/GaN多量子阱纳米棒发光二极管（nLED），通过研究分析GaN纳米棒表面与侧壁钝化层之间的相互作用关系，解决了μLEDs外量子效率随尺寸变小而降低的问题。此外，作者证明了采用低温溶胶-凝胶工艺可以最大限度地减少在表面钝化过程中缺陷的形成，由该方法制备的nLED最大外量子效率为20.2 ± 0.6%，是迄今为止报道的纳米级LED外量子效率的最高值。这项工作为研制自发光nLED显示器开辟了新道路，并有望成为新一代显示器中的关键一环。相关研究成果以“Highly efficient blue InGaN nanoscale light-emitting diodes”为题发表在Nature上。

摘要：

氮化铟镓（InGaN）基微发光二极管（μLEDs）具有发光效率高、亮度高和稳定性强等优良特性，可以满足日益增长的高性能显示应用需求。然而，μLED存在外量子效率随着尺寸的减小而降低的问题，本文报道了一种InGaN/GaN多量子阱（MQW）纳米棒蓝色发光二极管（nLED），该发光二极管具有较高的外量子效率。为了克服与尺寸相关的EQE下降问题，我们研究了GaN表面与侧壁钝化层之间的相互作用关系，研究结果表明最大限度地减少钝化过程中产生的点缺陷对制造高性能nLED起着不可或缺的作用。采用溶胶-凝胶工艺能够使SiO2纳米颗粒吸附在GaN表面上，最大限度地减少了原子间的相互作用力，促使钝化过程向有利方向发展。文中制备出的微型发光二极管外量子效率可达20.2 ± 0.6%，是迄今为止报道的纳米级LED外量子效率的最高值，这为自发光nLED显示器的研制开辟了新的道路，并有望能为新一代显示器中的关键一环。

文章信息：

M. Y. Sheen, Y. Ko, D. Kim, et al. Highly efficient blue InGaN nanoscale light-emitting diodes. Nature, 2022, 608, 56–61.

DOI: 1038/s41586-022-04933-5

#2

基于电导率控制的GaN纳米线阵列的自供电和柔性压电传感器，可用于模拟快速和慢速适应的机械感受器

人体细胞中对机械力敏感的感受器（即机械感受器）能够调节许多关键的生物过程，如血管收缩、痛觉、呼吸甚至检测耳朵中的声波等。近日，韩国全南国立大学物理系的Sang-Wan Ryu研究团队报道了一种基于电导率控制的GaN纳米线阵列的自供电压电传感器，可以模拟人体皮肤受外部刺激的缓慢适应（SA）和快速适应（RA）的生物过程。作者提出了一种基于非故意掺杂GaN（uGaN）和Mg掺杂的半绝缘GaN（GaN:Mg）纳米线阵列的自供电柔性电子皮肤概念，其中uGaN纳米线阵列基机械感受器可用于模拟快速适应（RA）过程，而GaN:Mg纳米线阵列基机械感受器可用于模拟缓慢适应（SA）过程，该感受器在抓取物体和表面纹理检测等方面具有优异的表现，且在可穿戴医疗设备、人形机器人和人工假肢等新型领域具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Self-powered and flexible piezo-sensors based on conductivity-controlled GaN nanowire-arrays for mimicking rapid- and slow-adapting mechanoreceptors”为题发表在npj Flexible Electronics上。

摘要：

人体皮肤具有慢速适应（SA）和快速适应（RA）的机械感受器，它们受外界刺激时的反应不同。基于人体触觉感知系统制造出的一种能同时模拟SA和RA机械感受器的自供电电子皮肤（e-skin）是实现机器人和人工假肢与周围环境相互作用的首要需求。然而，多模传感器合并模拟SA-和RA-机械感受器的复杂过程阻碍了它们在自供电电子皮肤中的应用。本文中，我们提出了一种基于n型和半绝缘的GaN纳米线阵列的SA-和RA-机械感受器，该自供电电子皮肤在物体的抓取和表面纹理的检测中表现良好，且基于压电传感原理设计的电子皮肤可同时模拟静态和动态压力信号，能够检测到低频率和高频率的压力刺激。本工作中的慢速适应机械感受器在1 Hz频率下的响应和复位时间分别为11 ms和18 ms，可以很好地满足实际人体皮肤应用需求。

文章信息：

A. Waseem, A. Abdullah, I. V. Bagal, et al.Self-powered and flexible piezo-sensors based on conductivity-controlled GaN nanowire-arrays for mimicking rapid- and slow-adapting mechanoreceptors. npj Flexible Electronics. 2022.

DOI: 10.1038/s41528-022-00197-1

#3

超宽带隙半导体Ga2O3功率二极管

作为新型超宽带隙半导体材料，氧化镓（Ga2O3）因具有比碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）更宽的带隙，在紫外探测、高频功率器件等领域引起了研究人员越来越多的关注。近日，西安电子科技大学微电子学院的周红教授研究团队设计了一种超宽带隙半导体功率二极管，通过空穴注入的方式在低掺杂Ga2O3材料中进行载流子双极扩散，引起电导调制效应，并使电阻率降低。该功率二极管击穿电压为 8.32 kV，功率品质因数为 13.2 GW/cm2，其功率品质因数超过了 GaN 和 SiN 的一维单级极限，创造了超宽带隙半导体功率二极管的新纪录。该 Ga2O3 基功率二极管具有在下一代大功率电子产品中应用的巨大潜力。相关研究成果以“Ultra-wide bandgap semiconductor Ga2O3 power diodes”为题发表在Nature Communications上。

摘要：

超宽禁带半导体Ga2O3基电子器件有望超越宽禁带半导体GaN和SiC。然而，目前所报道的Ga2O3基电子器件功率品质因数较低（基本低于GaN和SiC基电子器件），远低于预计的Ga2O3材料极限，造成此问题的原因在于实现高击穿电压需要低掺杂材料以及形成P-N同质结，这分别与实现低导通电阻和同时实现n型和p型掺杂相矛盾。在本工作中，我们证明了Ga2O3异质结PN二极管可以解决上述矛盾，通过空穴注入的方式在低掺杂Ga2O3材料中进行载流子双极扩散，引起电导调制效应，并使电阻率降低。该功率二极管实现8.32 kV的击穿电压，导通电阻达到5.24 mΩ·cm2，功率品质因数为13.2 GW/cm2，开通电压为1.8 V。该功率二极管的功率品质因数超过GaN和SiC的一维单极极限，展示了其在下一代电力电子应用中的巨大潜力。

文章信息：

J. C. Zhang, P. F. Dong, K. Dang, et al. Ultra-wide bandgap semiconductor Ga2O3 power diodes. Nat. Commun., 2022, 13, 3900.

DOI: 10.1038/s41467-022-31664-y

#4

分辨率超视网膜极限的量子点集成GaN发光二极管

增强/混合现实（AR/MR）和超高分辨率（8k和16K）屏幕的迅速发展使超视网膜极限的新型近眼显示器得到了广泛的研究。近日，韩国庆熙大学电子工程系的Seunghyun Lee研究团队在硅衬底上集成了晶圆级、5 μm大小的自发光 GaN 基微型发光二极管（LED）阵列，该LED阵列具有超高的分辨率。研究团队采用了先键合、后图案化的工艺，相较于倒装芯片键合工艺，该工艺在光刻级对准方面具有更高的精度，有利于高分辨率LED阵列的制备。此外，采用弹性掩膜版和双层光刻技术在无液体的情况下实现了量子点图案化，该工艺可以在晶圆级硅衬底上直接进行量子点图案化，实现高效的颜色转换。最终集合了量子点、GaN 和晶圆硅键合等先进技术的微型发光二极管阵列分辨率可达1270 PPI，远远超出了视网膜极限，为未来新型近眼显示器的实际应用奠定了基础。相关研究成果以“Quantum dot-integrated GaN light-emitting diodes with resolution beyond the retinal limit”为题发表在Nature Communications上。

摘要：

增强现实（AR）和混合现实（MR）的出现使近眼显示技术得到了迅速发展。超快的响应时间、高分辨率、高亮度和户外使用的动态范围对非像素化、瞳孔形成光学器件非常重要。然而，目前主流使用的液晶和有机材料都不能满足这些需求，因此本文中的研究者提出了一种具有集成电路精细图案化的发光固态器件，该工作整合了几种先进技术，基于量子点（QD）的颜色转换设计了一种微型发光二极管（LED）阵列，并采用晶圆级外延层转移和图案化前键合技术将5 μm的GaN LED阵列直接集成到异质硅衬底上。值得注意的是，本文中底层晶圆的光刻对准技术为集成电路的超快加工开辟了可能性，且通过弹性掩膜版实现了光谱纯颜色转化和无溶剂量子点图案化过程。此外，采用自组装单层膜可以选择性地改变表面润湿性以实现完全干燥。最终集合了量子点、GaN和晶圆硅键合等先进技术的微型发光二极管阵列分辨率可达1270 PPI，远远超出了视网膜极限。

文章信息：

J. Bae, Y. Shin, H. Yoo, et al. Quantum dot-integrated GaN light-emitting diodes with resolution beyond the retinal limit. Nat. Commun., 2022, 13, 1862.

DOI: 10.1038/s41467-022-29538-4

#5

基于GaN/CsPbBr3核-壳结构纳米线异质结和水凝胶增强自供电紫外光电探测器的响应度和响应速度

自供电光电探测器因具有功耗小、响应时间短、灵敏度高等优势，成为新一代光电传感和通信系统中不可或缺的一部分。近日，中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院的陆书龙研究团队报道了一种GaN/CsPbBr3核-壳结构纳米线异质结构的自供电光电化学（PEC）的紫外光电探测器，其中无机钙钛矿CsPbBr3结构的引入提高了GaN基紫外光电探测器的响应度和响应速度。此外，作者采用水凝胶代替电解质水，在减小光电探测器体积的同时提升了光电探测器的响应速度。GaN/CsPbBr3核-壳结构纳米线异质结光电探测器为开发紫外线通信、水性探测和导航系统等更为广泛的应用提供了基础，相关研究成果以“Enhance the responsivity and response speed of self-powered ultraviolet photodetector by GaN/CsPbBr3 core-shell nanowire heterojunction and hydrogel”为题发表在Nano Energy上。

摘要：

自供电紫外光电探测器（PDs）具有功耗小的优势，对新一代光电应用有着重要意义。本文报道了一种基于氮化镓/溴化铯（GaN/CsPbBr3）核-壳结构纳米线（NW）异质结的新型自供电光电化学（PEC）紫外光电探测器。通过在GaN纳米线表面引入立方相的CsPbBr3量子点，构建了GaN/CsPbBr3核-壳结构纳米线异质结，其中CsPbBr3量子点既是光捕获器又是空穴导体，适当的能级对齐能够有效地提高载流子分离和传输。此外，研究发现GaN/CsPbBr3核-壳纳米线异质结的量子点数量和间距会影响光电探测器的性能，在一定数量的CsPbBr3量子点作用下，GaN/CsPbBr3核壳纳米线不仅可以显著地提高光电流和响应率，还可以缩短下降时间以加快响应速度。此外，通过引入水凝胶不仅可以减小光电探测器体积，还可以通过减少载流子传输路径的方式显著提升光电探测器的响应速度，该方法在开发高性能新型实用光电探测器方面具有巨大潜力。

文章信息：

J. Y. Zhang, B. Jiao, J. F. Dai, et al. Enhance the responsivity and response speed of self-powered ultraviolet photodetector by GaN/CsPbBr3 core-shell nanowire heterojunction and hydrogel. Nano Energy. 2022, 100, 107437.

DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107437

#6

基于压电-光电子效应增强光电响应的自供电高性能柔性GaN/ZnO异质结紫外光电探测器

自供电柔性光电探测器具有可穿戴、抗变形、便携、免维护等优势，在人体生理指标检测、生物医学诊断、可穿戴通信等领域能够发挥巨大作用。近日，北京纳米能源与纳米系统研究所的潘曹峰研究团队采用激光剥离法和水热法制备了基于p型GaN薄膜/n型ZnO纳米线阵列的自供电柔性光电探测器。作者详细研究了光电流对不同紫外光功率和光照波长的依赖关系，在不施加偏置电压的自供电条件下，该光电探测器具有出色的检测灵敏度，在紫外光照下的开/关电流比达到7.36×106，检测灵敏度可达6.82×1013 Jones。相关研究成果以“Self-powered high-performance flexible GaN/ZnO heterostructure UV photodetectors with piezo-phototronic effect enhanced photoresponse”为题发表在Nano Energy上。

摘要：

高性能、可持续、可穿戴、便携、免维护光电传感器的研究与开发推动了自供电柔性光电探测器的前沿探索。本工作采用激光剥离法和水热合成法分别制备了GaN薄膜和ZnO纳米线，报道了一种基于p型GaN薄膜/n型ZnO纳米线异质结的自供电柔性紫外光电探测器。在325 nm光照和0 V偏置电压条件下，该光电探测器具有较大的开/关电流比（高达7.36×106）、出色的检测灵敏度（6.82×1013 Jones）和快速响应（6.9/6.4 ms），同时还表现出较宽的光谱响应、数千次开关循环下的良好重现性和优越的机械稳定性。此外，由于GaN和ZnO都是压电半导体材料，在外加应变作用下异质结界面两侧产生的压电电荷会在压电-光电子效应的作用下实现光生载流子的分离、提取和复合。在38.4 mW/cm2紫外光照下且压缩应变为0.48%时，相对响应度提高至22%。本工作不仅展示了一种在人工皮肤光传感、光通信和