近日，上海大学张建华教授、任开琳副教授团队与晶湛半导体合作，在基于GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)的驱动/发光/探测单片集成器件方面取得重要研究进展。上海大学智能显示芯片团队创新性地提出了外延一体化的GaN基HEMT与LED单片集成结构，该结构通过将多InGaN量子阱与多二维电子气沟道在外延设计中直接融合，实现了显示器件及其驱动器件的单片集成，提高载流子注入效率的同时无需二次外延工艺，实现了高达 2.1 × 10⁵ cd/m²的亮度，是迄今为止基于类HEMT外延的单片集成器件最高值，已达到与传统Micro-LED同等级的亮度指标，有望用于集成驱动的高分辨率高刷新率显示应用；同时，该器件作为片上光探测器，实现了5.2 × 10¹⁴ Jones的超高比探测率，有望用于全双工光通信等应用。相关研究成果以“Multi-channel LE-HEMT with Highest Luminance in Record towards Micro-display and On-chip High-detectivity Photodetectors”为题，发表在《IEEE Electron Device Letters》期刊(DOI: 10.1109/LED.2025.3601846)。

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GaN Micro-LED在应用中存在LED与Si基驱动芯片高密度异质集成工艺难题，以及引入寄生元件限制开关频率等问题。基于此背景，团队提出并制备了将LED及其驱动器件HEMT 进行外延一体化设计的新型单片集成器件结构（如图1所示，下文简称LE-HEMT），在AlGaN/GaN HEMT外延中直接插入InGaN/GaN多量子阱层，并在漏极下方保留 p-GaN提供空穴注入，使InGaN/GaN同时作为LED的多量子阱有源区和HEMT的多层二维电子气沟道。该结构不仅提高了载流子注入效率，降低了金属互连带来的寄生效应，还避免了二次选区外延，简化了工艺流程。如图2所示的2层量子阱和3层量子阱外延结构由晶湛半导体提供。 

图1 (a) 3层量子阱器件的3D结构示意图和(b)显微镜上视图

图2 (a) 2层量子阱和 (b) 3层量子阱外延结构的透射电子显微镜图像

图3 (a) 2层量子阱和 (b) 3层量子阱的LE-HEMT传输特性.

图4 (a) 不同V_DD下亮度的变化, (b) 不同V_GS下输出特性，以及(c)2层量子阱和(d)3层量子阱结构在不同I_DS条件下的光谱图.

图5 (a) LE-HEMT的亮度随V_DD和I_DS的变化, (b) LE-HEMT的光输出功率

图6 (a) 不同光功率下的I-V特性，(b) 对应的比探测率。

实验结果表明，LE-HEMT器件在显示与光电探测方面均具备出色性能。在显示方面：器件实现了高达 2.1 × 10⁵ cd/m²的创纪录亮度，是迄今为止单片集成LE-HEMT的最高值，已与传统的Micro-LED 显示亮度相当。在 V_DD = 18 V 时实现了 13 W/cm² 的光输出功率。虽然多InGaN量子阱层的插入增加了栅极到最下方沟道的距离，但是LE-HEMT仍实现了高达 I_on:I_off = 10⁸的开关电流比，证明平面型栅极仍可对3层量子阱的LE-HEMT 沟道进行有效控制。在进行连续 24 小时的高压老化测试后，LE-HEMT 的亮度仅下降1.7%。

在光电探测方面：器件实现 10^-13A 的超低暗电流，在光功率密度为1 mW/cm² 的365nm紫外光照射下，实现了 I_light/I_dark = 10⁷的高亮暗电流比。器件具备5.2 × 10¹⁴ Jones的比探测率，表明其能够从噪声中检测极弱光信号。本研究为显示像素、驱动器件及片上光探测器的单片集成提供了新设计，有望拓展高分辨率高刷新率 Micro-LED 显示和全双工可见光通信等潜在应用。

上海大学微电子学院硕士研究生朱纪君为论文第一作者，上海大学微电子学院任开琳副教授为通讯作者，上海大学张建华教授、殷录桥教授以及晶湛半导体程凯博士、向鹏博士对该工作提供了重要支持和指导。本研究得到国家自然科学基金（项目编号：62204150）、上海市自然科学基金（项目编号：23ZR1422500）以及上海市汽车智能网联交互芯片与系统重点实验室的支持。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11141017