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在完美的半导体晶体晶片中，空间中某一点的原子位置和类型从一个表面到另一个表面重复数百微米，从一个边缘到另一个边缘重复数百毫米。在诸如硅的非极性半导体中，仔细选择晶体取向可最大化表面上器件的电子性能。像晶体管这样的电子器件只能在硅的一面(比如说顶面)制造，而不能在另一面制造。即使使用另一个面，立方晶体的平行面也是对称的。这意味着，颠倒翻转硅晶片不会改变顶面的化学或电子特性。因此，以相同方式在两个表面上制造的异质结构和电子器件表现出相同的性质。
宽带隙半导体GaN和氮化铝(AlN)具有纤锌矿晶体结构，下方为六方晶格。这种晶体结构破坏了沿[0001]取向(c轴)的反转对称性。因此，垂直于这些极性半导体的单晶晶片的c轴的两个表面表现出非常不同的物理特性：翻转晶体晶片类似于翻转磁棒。两面的化学性质如此不同，以至于它们被用来识别金属或氮的表面极性。尽管金属极性表面对大多数化学物质呈惰性，但GaN和AlN的N极性表面在含碱(如KOH和TMAH)或酸(如H3PO4)的溶液中会剧烈蚀刻。
对于两个面，观察到异质结构的电子性质有很大差异。例如，如果在AlN的N极性表面上沉积大约10nm薄的相干应变外延GaN层，则由于导带的不连续性与异质结上电子极化的不连续性的结合，在GaN/AlN异质结量子阱处形成二维电子气(2DEG)。但是当在AlN的金属极性表面上沉积相同的大约10nm相干应变外延GaN层时，在异质结量子阱处形成2D空穴气体。这些极化诱导的导电2D电子和空穴气体在名义上不含化学杂质如施主或受主掺杂剂的晶体中形成。使用这种极化诱导导电沟道的(Al，Ga)N/GaN HEMT在高功率和高速应用中表现出出色的性能。
到目前为止，只有一面c轴取向的GaN单晶晶片用于光子或电子器件。在这项工作中，将GaN单晶相对面上的两种极性结合起来，在一侧实现光子器件，在另一侧实现电子器件。N极侧上的异质结构量子阱用于产生极化诱导的高迁移率2DEG，并且在相反的金属极侧上实现量子阱(In，Ga，Al)N p–N二极管异质结构。然后对这种双面晶片进行处理，首先是N极面的HEMTs，然后是金属极面的蓝色量子阱led。允许通过晶片另一侧的HEMT开关和调制蓝色LED，成功操作HEMT和LED器件。
15nm AlGaN层下面的硅掺杂用于防止在底部N-极性AlGaN/GaN界面24形成极化诱导的2D空穴气体。室温下GaN的体能带隙为Eg1 = 3.4 eV，Al0.40Ga0.60N的体能带隙为Eg2 = 4.5 eV。对于N极HEMT，高角度环形暗场(HAADF) STEM图像示出了表面附近的20nm AlGaN层，其在两侧具有与GaN的尖锐界面。证明了沿生长方向的N极性晶体结构:N原子垂直位于较亮的Ga原子下方。
从生长方向看，LED实际上是金属极性的，上面看不到衬底。这证实了晶体衬底的极性锁定了外延层的极性，并且晶体配准穿过整个GaN晶片达数百微米。这就是为什么2DEG形成在晶片的N极侧，而金属极性保留在LED的整个有源区、量子阱和电子阻挡和接触层。LED异质结构的高结晶完整性也证明了在相当苛刻的热和化学条件下，在高温下用氮等离子体在N极侧生长HEMT异质结构不会破坏或降低LED结构。
由于双电子结构，LED的阴极也可以作为HEMT的背栅极，这在单片开关测量中已考虑在内。通过与n-GaN衬底的单独接触，当顶部栅极电浮置时，阴极电压可指数控制漏极电流。这种背栅效应作为一种新的功能是可用的，或者如果不希望的话，可用半绝缘衬底代替导电衬底来消除。
双电子概念延伸到几个令人兴奋的新机会。为了利用高发射效率，衬底的金属极性面可以用于任何光电器件，例如激光二极管、半导体光放大器和电光调制器，而晶体管或光电探测器制造在N极性面上。这种对衬底的充分利用显著减少了光子集成电路中所需的元件和芯片的数量。对于其他应用，可以使用两种GaN极性，例如，用于通信系统发射部分的RF晶体管功率放大器可以在一个极性上实现，用于通信系统接收端的低噪声放大器可以在比现有系统更小的组合发射/接收模块中实现集成收发器。一个极性上的n沟道晶体管与相反极性上的p沟道晶体管的组合能够实现由穿过衬底的通孔连接的新形式的互补晶体管电路拓扑。这种双电子器件可以利用极性氮化物半导体的宽带隙特性，来制作新型功率电子器件和射频电子器件。这些以及几种相关的可能性可以允许在同一晶片的相对面上产生和操纵电子和光子，以实现新的功能。
同样，超宽带隙极性半导体AlN拥有强大的电声耦合，这使其成为当今声波RF滤波器的首选材料。因此，Dualtronics可以利用极性氮化物半导体的这一特性，在同一个平台上结合声纳(通过声波)、雷达(微波)和激光雷达(光)。
因此，衬底表面的有效使用消除了浪费的空间，降低了生产几个晶片的能量和材料成本，这对未来的技术应该具有极大的兴趣，远远超出这里讨论的特定极性半导体材料。（剪报来源：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07983-z。）
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