与硅等传统的非极性半导体不同，宽带隙半导体氮化镓（GaN）等极性半导体的晶体结构具有独特的物理性质。这些性质使得GaN的两个表面在电子和空穴的输运性质上存在显著差异，具有不同的物理和化学性质。在过去三十年中，GaN的阳离子（镓）面被用于制造发光二极管（LED）和激光器等光电子器件，而阴离子（氮）面则显示出在高电子迁移率晶体管（HEMTs）中的应用潜力。
美国康奈尔大学和波兰科学院研究团队提出“双面光/电子学（dualtronics）”全新概念，成功展示了在同一半导体晶圆的阳离子面上制造光电子器件以及阴离子面上制造电子器件的可能性，在同一GaN晶圆的两个对立面成功集成了高电子迁移率晶体管和发光二极管，开创出一种新型的集成电子器件和光电子器件的制造方法。这种新技术途径有望显著减少组件数量、降低制造成本并提高器件性能。
该研究首先采用分子束外延技术在GaN晶圆的阳离子面生长蓝光LED结构，并在阴离子面产生高电子迁移率的二维电子气（2DEG），然后采用电子束蒸发、化学气相沉积、反应离子刻蚀等技术分别将阳离子面加工成LED、将阴离子面加工成HEMT。该研究实现了HEMT和LED器件的成功运行，制造的HEMT显示出低阈值电压、低漏电流、高电子迁移率，而LED则显示出高亮度和可调节的发光强度。此外，该研究通过电路连接还实现了使用HEMT控制LED发光的功能。
这种在同一GaN晶圆的两个对立面上实现电子、光子和声子功能的方法，不仅展示了在同一半导体晶圆上集成电子器件和光电子器件的可能性，而且为未来在更多单一极性半导体晶圆平台上实现多功能系统的制造提供了新思路。例如，晶圆衬底的阳离子面可用于制造激光二极管、半导体光放大器和电光调制器等光电子器件，而晶体管或光电探测器则可制造在阴离子面上。这种晶圆衬底的充分利用将显著减少光电子集成电路中所需的组件和芯片的数量。
该研究成果以题名“Using both faces of polar semiconductor wafers for functional devices”发表在《Nature》期刊上。论文下载链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07983-z#:~:text=This%20LED%20heterostructure%20was%20capped%20with%20p-InGaN%20contact
