गैलियम नाइट्राइड-आधारित अर्धचालक उच्च-आवृत्ति और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक वरदान रहे हैं।उन्होंने ऊर्जा-कुशल एलईडी प्रकाश व्यवस्था में भी क्रांति ला दी है।लेकिन कोई भी सेमीकंडक्टर वेफर एक ही समय में दोनों कार्य कुशलतापूर्वक करने में सक्षम नहीं है।

अब कॉर्नेल शोधकर्ताओं ने, पोलिश एकेडमी ऑफ साइंसेज की एक टीम के सहयोग से, पहली दोहरी-तरफा या "डुअलट्रॉनिक" चिप विकसित की है जो अपने फोटोनिक और इलेक्ट्रॉनिक कार्यों को एक साथ जोड़ती है, एक ऐसा नवाचार जो आकार को छोटा कर सकता हैकार्यात्मक उपकरण, उन्हें अधिक ऊर्जा कुशल बनाते हैं और विनिर्माण लागत को कम करते हैं।

टीम का पेपर, "कार्यात्मक उपकरणों के लिए ध्रुवीय सेमीकंडक्टर वेफर्स के दोनों चेहरों का उपयोग करना,'' 25 सितंबर को प्रकाशितप्रकृति.सह-प्रमुख लेखक डॉक्टरेट छात्र लेन वैन ड्यूरज़ेन और यूंगक्युन किम हैं।

इस परियोजना का नेतृत्व इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग स्कूल और सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग में इंजीनियरिंग के डेविड ई. बूर प्रोफेसर देबदीप जेना और इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग के विलियम एल. क्वाकेनबश प्रोफेसर हुइली ग्रेस ज़िंग ने किया था।कॉर्नेल इंजीनियरिंग में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग दोनों।

गैलियम नाइट्राइड (GaN) वाइड-बैंडगैप अर्धचालकों के बीच अद्वितीय है क्योंकि इसके क्रिस्टल अक्ष के साथ एक बड़ा इलेक्ट्रॉनिक ध्रुवीकरण होता है, जो इसकी प्रत्येक सतह को नाटकीय रूप से भिन्न भौतिक और रासायनिक गुण देता है।गैलियम, या धनायन, पक्ष उपयोगी साबित हुआ हैफोटोनिक उपकरणजैसे कि एलईडी और लेजर, जबकि नाइट्रोजन, या आयन, पक्ष ट्रांजिस्टर की मेजबानी कर सकते हैं।

जेना-ज़िंग प्रयोगशाला ने एक कार्यात्मक उपकरण बनाने की योजना बनाई जिसमें एक तरफ एक उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (एचईएमटी) चलता हैप्रकाश उत्सर्जक डायोड(एल ई डी) दूसरी ओर - एक ऐसी उपलब्धि जो किसी भी सामग्री में हासिल नहीं की गई है।

वैन ड्यूरज़ेन ने कहा, "हमारी जानकारी के अनुसार, किसी ने भी दोनों तरफ सक्रिय उपकरण नहीं बनाए हैं, सिलिकॉन के लिए भी नहीं।""एक कारण यह है कि सिलिकॉन वेफर के दोनों किनारों का उपयोग करने से आपको कोई अतिरिक्त कार्यक्षमता नहीं मिलती है क्योंकि यह घन है; दोनों पक्ष मूल रूप से समान हैं। लेकिन गैलियम नाइट्राइड एक ध्रुवीय क्रिस्टल है, इसलिए एक तरफ की तुलना में अलग-अलग भौतिक और रासायनिक गुण होते हैंदूसरा, जो हमें डिवाइस डिज़ाइन करने में अतिरिक्त डिग्री देता है।"

इस परियोजना की शुरुआत कॉर्नेल में जेना और पूर्व पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता हेनरिक टर्स्की, जेना और ज़िंग के साथ पेपर के सह-वरिष्ठ लेखक द्वारा की गई थी।टर्स्की ने लगभग 400 माइक्रोन मोटे एकल क्रिस्टल वेफर पर पारदर्शी GaN सब्सट्रेट विकसित करने के लिए पोलिश एकेडमी ऑफ साइंसेज के उच्च दबाव भौतिकी संस्थान में एक टीम के साथ काम किया।

HEMT और LED हेटरोस्ट्रक्चर तब पोलैंड में उगाए गए थेआणविक किरण एपिटैक्सी.एपिटेक्सी पूरा होने के बाद, चिप को कॉर्नेल भेज दिया गया, जहां किम ने नाइट्रोजन ध्रुवीय चेहरे पर एचईएमटी का निर्माण और प्रसंस्करण किया।

किम ने कहा, "नाइट्रोजन ध्रुवीय पक्ष अधिक रासायनिक रूप से प्रतिक्रियाशील है, जिसका अर्थ है कि उपकरण प्रसंस्करण के दौरान इलेक्ट्रॉन चैनल काफी आसानी से क्षतिग्रस्त हो सकता है।""नाइट्रोजन ध्रुवीय ट्रांजिस्टर निर्माण के साथ एक चुनौती यह सुनिश्चित करना है कि सभी प्लाज्मा प्रक्रियाएं और रासायनिक उपचार ट्रांजिस्टर को नुकसान न पहुंचाएं। इसलिए उस ट्रांजिस्टर को बनाने और डिजाइन करने के लिए बहुत सारी प्रक्रिया विकास करना पड़ा।"

इसके बाद, वैन ड्यूरज़ेन ने पहले से संसाधित एन-ध्रुवीय चेहरे की सुरक्षा के लिए एक मोटी सकारात्मक फोटो प्रतिरोधी कोटिंग का उपयोग करके धातु ध्रुवीय चेहरे पर एलईडी का निर्माण किया।प्रत्येक चरण के बाद, शोधकर्ताओं ने अपनी-अपनी डिवाइस विशेषताओं को मापा और पाया कि उनमें कोई बदलाव नहीं आया है।

"यह वास्तव में एक बहुत ही व्यवहार्य प्रक्रिया है," वैन ड्यूरज़ेन ने कहा।"उपकरण खराब नहीं होते हैं। और यदि आप इसे वास्तविक तकनीक के रूप में उपयोग करना चाहते हैं तो यह स्पष्ट रूप से महत्वपूर्ण है।"

चूँकि पहले किसी ने भी दो तरफा अर्धचालक उपकरण नहीं बनाया था, इसलिए टीम को इसका परीक्षण और मापने के लिए एक नई विधि का आविष्कार करना पड़ा।उन्होंने एक "क्रूड" डबल-साइड-लेपित ग्लास प्लेट को इकट्ठा किया और वेफर के एक तरफ को तार से जोड़ दिया, जिससे उन्हें ऊपर से दोनों पक्षों की जांच करने की अनुमति मिली।

चूँकि GaN सबस्ट्रेट्स संपूर्ण दृश्य सीमा के लिए पारदर्शी थे, इसलिए प्रकाश संचारित करने में सक्षम था।एकल एचईएमटी उपकरण एक बड़ी एलईडी को संचालित करने में सफल रहा, इसे किलोहर्ट्ज़ आवृत्तियों पर चालू और बंद किया गया - एक कार्यशील एलईडी डिस्प्ले के लिए पर्याप्त।

वर्तमान में, एलईडी डिस्प्ले में एक अलग ट्रांजिस्टर और स्वतंत्र निर्माण प्रक्रियाएं होती हैं।डुअलट्रॉनिक चिप के लिए एक तत्काल अनुप्रयोग माइक्रोएलईडी है: कम घटक, एक छोटे पदचिह्न पर कब्जा और कम ऊर्जा और सामग्री की आवश्यकता होती है, और कम लागत के लिए तेजी से निर्मित होती है।

जेना ने कहा, "एक अच्छा सादृश्य आईफोन है।""बेशक, यह एक फोन है, लेकिन इसमें कई अन्य चीजें हैं। यह एक कैलकुलेटर है, यह एक नक्शा है, यह आपको इंटरनेट की जांच करने देता है। इसलिए इसमें थोड़ा सा अभिसरण पहलू है। मैं कहूंगा कि हमारा पहला प्रदर्शनइस पेपर में 'डुअलट्रॉनिक्स' शायद दो या तीन कार्यात्मकताओं का अभिसरण है, लेकिन वास्तव में यह उससे भी बड़ा है।

"अब आपको अलग-अलग कार्य करने के लिए अलग-अलग प्रोसेसर की आवश्यकता नहीं होगी, और उनके बीच के अंतर्संबंधों में खोई गई ऊर्जा और गति को कम करने के लिए अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनिक्स और तर्क की आवश्यकता होगी। इस प्रदर्शन के साथ उनमें से कई कार्यक्षमताएं एक वेफर में सिकुड़ जाती हैं।"

अन्य अनुप्रयोगों में एक तरफ ध्रुवीकरण-प्रेरित एन-चैनल ट्रांजिस्टर (जो इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करता है) और दूसरी तरफ एक पी-चैनल ट्रांजिस्टर (छेद युक्त) के साथ पूरक धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (सीएमओएस) उपकरण शामिल हैं।

इसके अलावा, क्योंकि GaN सबस्ट्रेट्स में उच्च पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक होता है, इसलिए उन्हें 5G और 6G संचार में रेडियो आवृत्ति संकेतों को फ़िल्टर करने और प्रवर्धित करने के लिए थोक ध्वनिक तरंग अनुनादक के रूप में उपयोग किया जा सकता है।सेमीकंडक्टर्स में "LiFi" यानी प्रकाश-आधारित ट्रांसमिशन के लिए एलईडी के बजाय लेजर को भी शामिल किया जा सकता है।

वैन ड्यूरज़ेन ने कहा, "आप अनिवार्य रूप से फोटोनिक, इलेक्ट्रॉनिक और ध्वनिक उपकरणों के अभिसरण को सक्षम करने के लिए इसका विस्तार कर सकते हैं।""आप जो कर सकते हैं उसके संदर्भ में आप अनिवार्य रूप से अपनी कल्पना से सीमित हैं, और जब हम भविष्य में उन्हें आज़माएंगे तो अज्ञात कार्यक्षमताएँ उभर सकती हैं।"