Схема, показывающая плазменно-активированный молекулярно-лучевой эпитаксиальный рост HEMT-светодиода. Кредит: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07983-z
Полупроводники на основе нитрида галлия стали настоящим подарком для высокочастотной и силовой электроники. Они также произвели революцию в области энергоэффективного светодиодного освещения. Но ни одна полупроводниковая пластина не могла делать и то, и другое одновременно.
Теперь исследователи Корнелла в сотрудничестве с группой Польской академии наук разработали первый двухсторонний — или «дуалтронный» — чип, который одновременно объединяет фотонные и электронные функции. Это новшество может уменьшить размер функциональных устройств, сделать их более энергоэффективными и снизить производственные затраты.
Статья группы «Использование обеих сторон полярных полупроводниковых пластин для функциональных устройств» была опубликована 25 сентября в журнале Nature. Соавторы — аспиранты Лен ван Дёрзен и Ынгкюн Ким.
Проектом руководили Дебдип Джена, профессор инженерии им. Дэвида Э. Берра в Школе электротехники и вычислительной техники и на кафедре материаловедения и инженерии, и Хуили Грейс Син, профессор электротехники и вычислительной техники им. Уильяма Л. Квакенбуша и материаловедения и инженерии, оба в Корнеллском инженерном колледже.
Нитрид галлия (GaN) уникален среди широкозонных полупроводников, поскольку он имеет большую электронную поляризацию вдоль своей кристаллической оси, что придает каждой из его поверхностей кардинально разные физические и химические свойства. Галлиевая, или катионная, сторона оказалась полезной для фотонных устройств, таких как светодиоды и лазеры, в то время как азотная, или анионная, сторона может содержать транзисторы.
Лаборатория Jena-Xing поставила себе задачу создать функциональное устройство, в котором транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT) на одной стороне управляет светодиодами (LED) на другой — достижение, которое не было достигнуто ни в одном материале.
«Насколько нам известно, никто не делал активных устройств на обеих сторонах, даже для кремния», — сказал ван Дёрзен. «Одна из причин заключается в том, что нет никакой дополнительной функциональности, которую вы получаете от использования обеих сторон кремниевой пластины, потому что она кубическая; обе стороны в основном одинаковы. Но нитрид галлия — полярный кристалл, поэтому одна сторона имеет другие физические и химические свойства, чем другая, что дает нам дополнительную степень в проектировании устройств».
Проект изначально был задуман в Корнелле Йеной и бывшим научным сотрудником-постдокторантом Хенриком Турским, соавтором статьи, вместе с Йеной и Сином. Турский работал с командой в Институте физики высоких давлений Польской академии наук, чтобы вырастить прозрачные подложки GaN на монокристаллической пластине толщиной примерно 400 микрон.
Затем HEMT и гетероструктуры светодиодов были выращены в Польше методом молекулярно-лучевой эпитаксии. После завершения эпитаксии чип был отправлен в Корнелл, где Ким построил и обработал HEMT на полярной поверхности азота.
«Азотная полярная сторона более химически активна, что означает, что во время обработки устройства электронный канал может быть довольно легко поврежден», — сказал Ким. «Проблема с изготовлением азотных полярных транзисторов заключается в том, чтобы все плазменные процессы и химическая обработка не повредили транзисторы. Поэтому для изготовления и проектирования этого транзистора пришлось провести большую разработку процесса».
Затем ван Дёрцен построил светодиод на металлической полярной поверхности, используя толстое позитивное фоторезистивное покрытие для защиты ранее обработанной n-полярной поверхности. После каждого этапа исследователи измеряли соответствующие характеристики своих устройств и обнаружили, что они не изменились.
«На самом деле это очень осуществимый процесс», — сказал ван Дёрцен. «Устройства не деградируют. И это, очевидно, важно, если вы хотите использовать это как реальную технологию».
Поскольку никто раньше не делал двухсторонние полупроводниковые устройства, команде пришлось изобрести новый метод для их тестирования и измерения. Они собрали «грубую» двухстороннюю стеклянную пластину и прикрепили к ней одну сторону пластины проволочной скруткой, что позволило им исследовать обе стороны сверху.
Поскольку подложки GaN были прозрачны для всего видимого диапазона, свет мог проходить сквозь них. Одно устройство HEMT успешно управляло большим светодиодом, включая и выключая его на частотах килогерц — вполне достаточно для работающего светодиодного дисплея.
В настоящее время светодиодные дисплеи имеют отдельный транзистор и независимые процессы изготовления. Непосредственным применением чипа dualtronic являются микросветодиоды: меньше компонентов, занимающих меньшую площадь и требующих меньше энергии и материалов, и изготавливаемых быстрее для более низкой стоимости.
«Хорошая аналогия — iPhone», — сказала Джена. «Это, конечно, телефон, но это так много других вещей. Это калькулятор, это карта, это позволяет вам проверять интернет. Так что в этом есть некоторый аспект конвергенции. Я бы сказал, что наша первая демонстрация «дуалтроники» в этой статье — это конвергенция, может быть, двух или трех функций, но на самом деле это больше.
«Теперь вам не нужно, чтобы разные процессоры выполняли разные функции, и вы можете сократить потери энергии и скорости в соединениях между ними, которые требуют дополнительной электроники и логики. Многие из этих функций сжимаются до одной пластины с этой демонстрацией».
Другие приложения включают в себя устройства на основе комплементарного металл-оксид-полупроводника (КМОП) с n-канальным транзистором, индуцированным поляризацией (который использует электроны) с одной стороны и p-канальным транзистором (содержащим дырки) с другой.
Кроме того, поскольку подложки GaN имеют высокий пьезоэлектрический коэффициент, их можно использовать в качестве объемных резонаторов акустических волн для фильтрации и усиления радиочастотных сигналов в коммуникациях 5G и 6G. Полупроводники также могут включать лазеры вместо светодиодов для «LiFi» — т. е., основанных на свете — передач.
«Вы могли бы по сути расширить это, чтобы обеспечить конвергенцию фотонных, электронных и акустических устройств», — сказал ван Дойрзен. «Вы, по сути, ограничены своим воображением в плане того, что вы можете сделать, и неисследованные функциональные возможности могут появиться, когда мы попробуем их в будущем».
Дополнительная информация: Лен ван Дёрзен, Использование обеих сторон полярных полупроводниковых пластин для функциональных устройств, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07983-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07983-z
Информация о журнале: Nature Предоставлено Корнельским университетом
