窒化ガリウムベースの半導体は、高周波およびパワーエレクトロニクスに恩恵をもたらしてきました。また、エネルギー効率の高い LED 照明にも革命をもたらしました。しかし、両方を同時に効率的に実行できる半導体ウェーハはありません。

現在、コーネル大学の研究者は、ポーランド科学アカデミーのチームと協力して、光機能と電子機能を同時に組み合わせた初の両面チップ、または「デュアルトロニック」チップを開発しました。これは、デバイスのサイズを縮小できる革新です。機能デバイスのエネルギー効率を高め、製造コストを削減します。

チームの論文「Polar Semiconductor ウェーハの両面を機能デバイスに使用」9月25日に掲載されました。自然。共同主執筆者は博士課程の学生、Len van Deurzen 氏と Eungkyun Kim 氏です。

このプロジェクトは、電気・コンピュータ工学部および材料科学工学部のデビッド・E・バー工学教授であるデブディープ・ジェナ氏と、電気・コンピュータ工学部および材料科学工学部のウィリアム・L・クアッケンブッシュ教授であるホイリ・グレース・シン氏によって主導されました。材料科学と工学、どちらもコーネル大学に所属。

窒化ガリウム (GaN) は、結晶軸に沿って大きな電子分極を持ち、各表面に劇的に異なる物理的および化学的特性を与えるため、ワイドバンドギャップ半導体の中でも独特です。ガリウム、またはカチオン側は、次のような用途に役立つことが証明されています。フォトニックデバイスLED やレーザーなど、窒素または陰イオン側にはトランジスタを搭載できます。

Jena-Xing研究所は、片側の高電子移動度トランジスタ（HEMT）が駆動する機能デバイスの作成に着手しました発光ダイオードもう一方は（LED）、これはどの素材でも達成されたことのない偉業です。

「私たちの知る限りでは、シリコン用でさえも、両面でアクティブデバイスを作成した人は誰もいません」とvan Deurzen氏は述べた。「理由の 1 つは、シリコン ウェーハは立方体であるため、両面を使用しても追加の機能が得られないことです。両面は基本的に同じです。しかし、窒化ガリウムは極性結晶であるため、片面は物理的および化学的特性が異なります。もう 1 つは、デバイスの設計にさらなる学位を与えるものです。」

このプロジェクトは当初、コーネル大学でイエナと、この論文の共同上級著者である元博士研究員ヘンリク・トゥルスキー氏、そしてイエナ氏とシン氏によって発案された。Turski 氏は、ポーランド科学アカデミーの高圧物理学研究所のチームと協力して、厚さ約 400 ミクロンの単結晶ウェーハ上に透明な GaN 基板を成長させました。

その後、HEMT と LED のヘテロ構造はポーランドで成長しました。分子線エピタキシー。エピタキシーが完了した後、チップはコーネル大学に輸送され、そこでキムは窒素極面上に HEMT を構築して処理しました。

「窒素の極性側は化学反応性が高いため、デバイスのプロセス中に電子チャネルが非常に簡単に損傷する可能性があります」とキム氏は述べた。「窒素極性トランジスタの製造における課題は、すべてのプラズマプロセスと化学処理がトランジスタに損傷を与えないようにすることです。そのため、トランジスタの製造と設計には多くのプロセス開発を行う必要がありました。」

次に、van Deurzen 氏は、前に処理した n 極性面を保護するために厚いポジ型フォトレジスト コーティングを使用して、金属極性面上に LED を構築しました。各段階の後、研究者らはそれぞれのデバイスの特性を測定し、変化がないことを確認しました。

「実際、これは非常に実現可能なプロセスだ」とヴァン・ドゥルゼン氏は語った。「デバイスは劣化しません。これを実際のテクノロジーとして使用したい場合、これは明らかに重要です。」

これまで誰も両面半導体デバイスを作成したことがなかったため、チームはそれをテストおよび測定するための新しい方法を発明する必要がありました。彼らは、両面コーティングされた「未加工の」ガラス板を組み立て、それにウエハの片面をワイヤボンディングした。これにより、上から両面を検査できるようになった。

GaN 基板は可視範囲全体で透明であるため、光は透過できました。単一の HEMT デバイスは大型 LED を駆動することに成功し、LED ディスプレイを動作させるには十分なキロヘルツの周波数で LED をオン/オフします。

現在、LED ディスプレイには個別のトランジスタと独立した製造プロセスがあります。デュアルトロニック チップの直接の用途は microLED です。コンポーネントが少なく、占有面積が小さく、必要なエネルギーと材料が少なく、より低コストでより迅速に製造されます。

「わかりやすい例えはiPhoneです」とイエナ氏は言う。「これはもちろん電話ですが、他にもたくさんの機能があります。計算機であり、地図であり、インターネットをチェックできるのです。つまり、少し収束した側面があります。私たちの最初のデモンストレーションと言えるでしょう。この文書での「デュアルトロニクス」とは、おそらく 2 つまたは 3 つの機能を統合したものですが、実際にはそれよりも大きなものです。

「これで、異なるプロセッサーが異なる機能を実行する必要がなくなり、さらなるエレクトロニクスとロジックを必要とするプロセッサー間の相互接続で失われるエネルギーと速度が削減される可能性があります。このデモンストレーションでは、これらの機能の多くが 1 つのウェハーに縮小されます。」

その他のアプリケーションには、一方の側に分極誘起 n チャネル トランジスタ (電子を使用)、もう一方の側に p チャネル トランジスタ (正孔を含む) を備えた相補型金属酸化物半導体 (CMOS) デバイスが含まれます。

さらに、GaN 基板は高い圧電係数を備えているため、5G および 6G 通信における無線周波数信号のフィルタリングおよび増幅用のバルク弾性波共振器として使用できます。半導体には、「LiFi」、つまり光ベースの伝送用に LED の代わりにレーザーを組み込むこともできます。

「本質的にこれを拡張して、光デバイス、電子デバイス、音響デバイスの融合を可能にすることができます」とvan Deurzen氏は述べた。「できることは基本的に想像力によって制限されており、今後試してみると未開発の機能が現れる可能性があります。」