Los semiconductores basados ​​en nitruro de galio han sido de gran ayuda para la electrónica de potencia y de alta frecuencia.También han revolucionado la iluminación LED de bajo consumo.Pero ninguna oblea semiconductora ha sido capaz de hacer ambas cosas al mismo tiempo de manera eficiente.

Ahora, investigadores de Cornell, en colaboración con un equipo de la Academia Polaca de Ciencias, han desarrollado el primer chip de doble cara o "dualtrónico" que combina sus funciones fotónica y electrónica simultáneamente, una innovación que podría reducir el tamaño dedispositivos funcionales, hacerlos más eficientes energéticamente y reducir los costes de fabricación.

El papel del equipo ".Uso de ambas caras de obleas de semiconductores polares para dispositivos funcionales", publicado el 25 de septiembre enNaturaleza.Los coautores principales son los estudiantes de doctorado Len van Deurzen y Eungkyun Kim.

El proyecto fue dirigido por Debdeep Jena, profesora de ingeniería David E. Burr en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática y Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Huili Grace Xing, profesora William L. Quackenbush de Ingeniería Eléctrica e Informática y deCiencia e Ingeniería de Materiales, ambas en Cornell Engineering.

El nitruro de galio (GaN) es único entre los semiconductores de banda prohibida porque tiene una gran polarización electrónica a lo largo de su eje cristalino, lo que le da a cada una de sus superficies propiedades físicas y químicas dramáticamente diferentes.El lado del galio, o catión, ha demostrado ser útil paradispositivos fotónicoscomo LED y láseres, mientras que el lado del nitrógeno o anión puede albergar transistores.

El laboratorio Jena-Xing se propuso fabricar un dispositivo funcional en el que un transistor de alta movilidad de electrones (HEMT) en un lado impulsadiodos emisores de luz(LED) por el otro, una hazaña que no se ha logrado en ningún material.

"Hasta donde sabemos, nadie ha fabricado dispositivos activos en ambos lados, ni siquiera de silicio", dijo van Deurzen."Una de las razones es que no se obtiene ninguna funcionalidad adicional al usar ambos lados de una oblea de silicio porque es cúbica; ambos lados son básicamente iguales. Pero el nitruro de galio es un cristal polar, por lo que un lado tiene propiedades físicas y químicas diferentes queel otro, que nos da un título extra en el diseño de dispositivos".

El proyecto fue concebido inicialmente en Cornell por Jena y el ex investigador postdoctoral Henryk Turski, coautor principal del artículo, junto con Jena y Xing.Turski trabajó con un equipo del Instituto de Física de Alta Presión de la Academia Polaca de Ciencias para cultivar sustratos transparentes de GaN en una oblea de cristal único de aproximadamente 400 micrones de espesor.

Las heteroestructuras HEMT y LED fueron cultivadas en Polonia porepitaxia de haz molecular.Una vez completada la epitaxia, el chip se envió a Cornell, donde Kim construyó y procesó el HEMT en la cara polar del nitrógeno.

"El lado polar del nitrógeno es químicamente más reactivo, lo que significa que durante el procesamiento del dispositivo el canal de electrones puede dañarse con bastante facilidad", dijo Kim."Un desafío con la fabricación de transistores polares de nitrógeno es garantizar que todos los procesos de plasma y el tratamiento químico no dañen los transistores. Por lo tanto, hubo que desarrollar mucho proceso para fabricar y diseñar ese transistor".

A continuación, van Deurzen construyó el LED en la cara polar metálica, utilizando una gruesa capa fotorresistente positiva para proteger la cara n-polar previamente procesada.Después de cada etapa, los investigadores midieron las características de sus respectivos dispositivos y descubrieron que no habían cambiado.

"En realidad, es un proceso muy factible", afirmó van Deurzen."Los dispositivos no se degradan. Y esto es obviamente importante si se quiere utilizar esto como una tecnología real".

Como nadie había fabricado antes un dispositivo semiconductor de doble cara, el equipo tuvo que inventar un nuevo método para probarlo y medirlo.Armaron una placa de vidrio "tosca" con doble cara y le unieron con alambre un lado de la oblea, lo que les permitió sondear ambos lados desde la parte superior.

Debido a que los sustratos de GaN eran transparentes en todo el rango visible, la luz pudo transmitirse.El único dispositivo HEMT logró controlar un LED de gran tamaño, encendiéndolo y apagándolo a frecuencias de kilohercios, suficiente para una pantalla LED en funcionamiento.

Actualmente, las pantallas LED tienen un transistor separado y procesos de fabricación independientes.Una aplicación inmediata para el chip dualtrónico son los microLED: menos componentes, ocupan un espacio más pequeño y requieren menos energía y materiales, y se fabrican más rápido a un menor costo.

"Una buena analogía es el iPhone", dijo Jena."Es, por supuesto, un teléfono, pero es muchas otras cosas. Es una calculadora, es un mapa, te permite consultar Internet. Así que hay un aspecto de convergencia. Yo diría que nuestra primera demostraciónEl concepto de 'dualtrónica' en este artículo es la convergencia de quizás dos o tres funcionalidades, pero en realidad es más grande que eso.

"Ahora es posible que no necesites que los diferentes procesadores realicen diferentes funciones y reduzcas la energía y la velocidad perdidas en las interconexiones entre ellos, lo que requiere más electrónica y lógica. Muchas de esas funcionalidades se reducen a una oblea con esta demostración".

Otras aplicaciones incluyen dispositivos semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) con un transistor de canal n inducido por polarización (que utiliza electrones) en un lado y un transistor de canal p (que contiene agujeros) en el otro.

Además, debido a que los sustratos de GaN tienen un alto coeficiente piezoeléctrico, pueden usarse como resonadores de ondas acústicas masivas para filtrar y amplificar señales de radiofrecuencia en comunicaciones 5G y 6G.Los semiconductores también podrían incorporar láseres en lugar de LED para transmisiones "LiFi", es decir, basadas en luz.

"Básicamente, se podría ampliar esto para permitir la convergencia de dispositivos fotónicos, electrónicos y acústicos", dijo van Deurzen."Estás esencialmente limitado por tu imaginación en términos de lo que puedes hacer, y pueden surgir funcionalidades inexploradas cuando las probemos en el futuro".