近日，我校集成电路学院张紫辉教授团队在实现交流驱动型深紫外光电器件研究领域取得重要进展。相关研究论文以“Dual-functional ultra-wide-band-gap AlGaN material for making electrically self-protective deep-ultraviolet optoelectronic devices with improved frequency responsivity”为题，发表于光学、应用物理领域的国际顶级期刊《Laser & Photonics Reviews》（影响因子：10.5，中科院一区TOP期刊）。
超宽带隙AlGaN半导体是制备深紫外光电器件的核心材料，凭借可连续调控的禁带宽度，能够稳定输出~280 nm深紫外光。传统分立器件方案需外接保护电路，封装复杂、寄生参数大，不仅压缩调制带宽，还会降低系统可靠性。同时，常规深紫外LED反向耐压极低，交流工况下极易因反向漏电发生击穿失效，现有的外置防护结构又会进一步增加体积与损耗，难以满足高速紫外通信、长周期稳定工作的应用需求，因此，开发一种结构简单、易于原位集成的可AC直驱的大带宽深紫外发光器件，成为领域内的重要挑战。
针对上述挑战，本研究团队联合上海芯钬量子科技有限公司，依托联合开发的国产NUWA TCAD仿真平台开展器件理论建模与数值仿真分析；在此基础上，创新性地提出并研制了一种基于电容调制效应的单片集成光电器件。该集成器件由AlGaN基深紫外LED和SBD两大功能单元组成，两者通过原位外延生长技术集成于同一蓝宝石衬底上（见图1），可实现AC信号的直接驱动与控制。
图1（见原文Fig. 1）：(a)光电集成器件的2D结构和等效电路示意图；光电集成器件的(b1)3D结构示意图和(b2)光学显微俯视图；(c1)深紫外LED的p-EBL、有源区和部分n型区的TEM图；(c2)SBD台面边缘结构的TEM图；理论计算结果：(d)50 Hz条件下的AC驱动I-V特性图，(e1) +30 V时有源区中2D电子浓度分布，(e2) -30 V时有源区中2D电子浓度分布；(f)±30 V时有源区中1D电子浓度分布。
创新点一：构筑原位集成SBD器件调控电流的开关状态，实现深紫外LED交流驱动功能。原位集成的超宽禁带AlGaN基SBD结构为芯片赋予了反向防护能力，解决深紫外LED反向耐压不足的问题。测试结果表明，该集成器件可承受的反向击穿电压为49 V，远高于单颗深紫外LED的反向击穿电压；在-5 V反向偏压条件下，器件漏电流低至1.78×10-10 A/cm2，即使反向偏压提升至-30 V，漏电流仍控制在3.8×10-3 A/cm2以内，反向阻断性能优异。如图2所示，在频率50 Hz、峰峰值60 V的正弦交流电压工况下，研究开展了20000次循环测试，经过上万次交变电压冲击，器件峰值电流始终稳定在80 mA左右，电流波形无畸变；不同测试阶段的反向漏电流也未出现明显恶化，展现出较强的动态工作稳定性。在交流驱动过程中，正半周LED正常发光，负半周SBD进入阻断状态，阻挡反向电压侵入发光单元，无需任何外接保护电路，即可实现交流直接驱动，完美适配民用交流供电场景，从根本上杜绝反向偏压导致的器件损毁问题。
图2（见原文Fig. 5）：(a)20000周期的AC信号电流波形图，插图为测试初始阶段、中间阶段和最后阶段的电流波形细节图；(b)-30 V时，测试初始阶段、中间阶段和最后阶段的漏电流统计图。
创新点二：提出了采用多子导电SBD集成器件的电容调制机制。超宽禁带Al0.65Ga0.35N材料本身介电常数低于常规GaN，同时单片集成架构采用多子导电，可有效减少了寄生电容，串联SBD结构使集成器件的电容进一步降低，因此所研制集成器件的电容均显著低于单颗深紫外LED。电容的降低有效减小RC时间常数，为调制带宽提升创造了核心条件。图3的性能测试显示，集成光电芯片的-3 dB调制带宽达到300 MHz，相比同规格单颗深紫外LED（230 MHz）实现明显提升。在不同驱动电流下，器件均保持优异的频率响应特性；信噪比测试结果表明，集成SBD并未引入额外噪声，中低频段信噪比甚至优于分立的深紫外LED，信号传输质量更高。对应的星座图与比特分配数据证明，该器件信号线性度好、星座点分布集中，数据传输稳定性大幅增强。通过进一步减小SBD器件尺寸，一方面可进一步实现大尺寸深紫外LED电容的大幅降低，显著增加-3dB带宽；另一方面，突破“通过减小发光器件尺寸提高-3dB带宽”的传统技术路线，解决了微纳尺寸下发光器件侧壁缺陷诱导非辐射复合导致发光效率降低、漏电流显著、器件可靠性降低的技术问题。
图3（见原文Fig. 4）：测试得到的(a)单颗深紫外LED和(b)LED+SBD的频率响应特性；(c)单颗深紫外LED和LED+SBD在不同电流下的f-3dB值；(d)单颗深紫外LED和LED+SBD在不同频率下的信噪比；(e)单颗深紫外LED和(f)LED+SBD的比特分配和星座图；单颗深紫外LED和LED+SBD的(g)C-V和(h)C-F特性图；(i)不同尺寸不同波段的深紫外LED的f-3dB汇总图。
广东工业大学楚春双副教授为论文第一作者，广东工业大学张紫辉教授为通讯作者。广东工业大学集成电路学院为论文第一完成单位。
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71475
