질화 갈륨 기반 반도체는 고주파수 및 전력 전자 장치에 도움이 되었습니다.또한 에너지 효율적인 LED 조명에 혁명을 일으켰습니다.그러나 어떤 반도체 웨이퍼도 이 두 가지를 동시에 효율적으로 수행할 수 없습니다.

이제 코넬 연구진은 폴란드 과학 아카데미 팀과 협력하여 광전자 기능과 전자 기능을 동시에 결합한 최초의 양면 또는 "듀얼트로닉" 칩을 개발했습니다.기능성 장치를 사용하면 에너지 효율을 높이고 제조 비용을 절감할 수 있습니다.

팀의 논문 "기능성 장치를 위한 극성 반도체 웨이퍼의 양면 사용," 9월 25일에 게재됨자연.공동저자는 박사과정 학생인 Len van Deurzen, 김응균이다.

이 프로젝트는 전기 및 컴퓨터 공학부 및 재료 과학 및 공학과의 David E. Burr 공학 교수인 Debdeep Jena와 전기 및 컴퓨터 공학과의 William L. Quackenbush 교수인 Huili Grace Xing이 주도했습니다.코넬 공과대학의 재료 과학 및 공학.

질화갈륨(GaN)은 결정 축을 따라 큰 전자 분극을 갖고 있어 각 표면에 극적으로 다른 물리적, 화학적 특성을 부여하기 때문에 와이드 밴드갭 반도체 중에서 독특합니다.갈륨 또는 양이온 쪽은 다음에 유용한 것으로 입증되었습니다.광자 장치LED 및 레이저와 같은 질소 또는 음이온 측면은 트랜지스터를 호스팅할 수 있습니다.

Jena-Xing 연구소는 한쪽의 HEMT(High Electron Mobility Transistor)가 구동하는 기능적 장치를 만들기 시작했습니다.발광 다이오드(LED) 다른 한편으로는 어떤 소재에서도 달성하지 못한 위업입니다.

van Deurzen은 "우리가 아는 바로는 실리콘을 위한 경우에도 양측에 능동 장치를 만든 사람은 아무도 없습니다."라고 말했습니다."그 이유 중 하나는 실리콘 웨이퍼가 입방체이기 때문에 양면을 사용하여 얻을 수 있는 추가 기능이 없다는 것입니다. 양면은 기본적으로 동일합니다. 그러나 질화 갈륨은 극성 결정이므로 한쪽 면이 다른 면과 물리적, 화학적 특성이 다릅니다.다른 하나는 장치 설계에 있어 추가적인 수준을 제공합니다."

이 프로젝트는 Jena와 Xing과 함께 논문의 공동 저자인 전 박사후 연구원 Henryk Turski와 Jena가 코넬에서 처음 구상했습니다.Turski는 폴란드 과학 아카데미의 고압 물리학 연구소 팀과 협력하여 약 400 마이크론 두께의 단결정 웨이퍼에 투명한 GaN 기판을 성장시켰습니다.

HEMT와 LED 이종 구조는 폴란드에서 다음과 같이 재배되었습니다.분자빔 에피택시.에피택시가 완료된 후 칩은 코넬로 배송되었으며, 그곳에서 김씨는 질소 극성 표면에 HEMT를 구축하고 처리했습니다.

"질소 극성 쪽은 화학적으로 더 반응성이 크며 이는 장치 처리 중에 전자 채널이 매우 쉽게 손상될 수 있음을 의미합니다"라고 Kim은 말했습니다."질소 극성 트랜지스터 제조의 과제는 모든 플라즈마 공정과 화학적 처리가 트랜지스터를 손상시키지 않도록 하는 것입니다. 따라서 해당 트랜지스터를 제조하고 설계하기 위해 수행해야 하는 공정 개발이 ​​많이 있었습니다."

다음으로 van Deurzen은 이전에 처리된 n극면을 보호하기 위해 두꺼운 포지티브 포토 레지스트 코팅을 사용하여 금속 극성면에 LED를 구축했습니다.각 단계 후에 연구원들은 각각의 장치 특성을 측정한 결과 변경되지 않은 것으로 나타났습니다.

"이것은 실제로 매우 실현 가능한 프로세스입니다"라고 van Deurzen은 말했습니다."장치는 성능이 저하되지 않습니다. 그리고 이것을 실제 기술로 사용하려는 경우 이는 분명히 중요합니다."

이전에는 양면 반도체 장치를 만든 사람이 없었기 때문에 팀에서는 이를 테스트하고 측정할 수 있는 새로운 방법을 고안해야 했습니다.그들은 "조잡한" 양면 코팅 유리판을 조립하고 웨이퍼의 한쪽 면을 와이어 본딩하여 위에서 양쪽을 조사할 수 있게 했습니다.

GaN 기판은 전체 가시 범위에서 투명했기 때문에 빛이 투과할 수 있었습니다.단일 HEMT 장치는 대형 LED를 구동하는 데 성공하여 작동하는 LED 디스플레이에 충분한 킬로헤르츠 주파수로 LED를 켜고 끕니다.

현재 LED 디스플레이는 별도의 트랜지스터와 독립적인 제조 공정을 갖고 있습니다.듀얼트로닉 칩의 즉각적인 응용 분야는 microLED입니다. 즉, 더 적은 구성 요소, 더 작은 설치 공간, 더 적은 에너지 및 재료를 필요로 하며 더 저렴한 비용으로 더 빠르게 제조됩니다.

"좋은 비유는 아이폰입니다"라고 Jena는 말했습니다."물론 전화기이지만 그 밖에도 많은 것들이 있습니다. 계산기이고 지도이며 인터넷을 확인할 수 있습니다. 그래서 약간의 수렴적인 측면이 있습니다. 첫 번째 시연이라고 말하고 싶습니다.본 논문에서 말하는 '듀얼트로닉스'의 핵심은 두세 가지 기능의 융합이지만 실제로는 그보다 더 큽니다.

"이제 서로 다른 기능을 수행하기 위해 서로 다른 프로세서가 필요하지 않으며 추가 전자 장치와 로직이 필요한 프로세서 간의 상호 연결에서 손실되는 에너지와 속도를 줄일 수 있습니다. 이 데모를 통해 이러한 기능 중 상당수가 하나의 웨이퍼로 축소됩니다."

다른 응용 분야로는 한쪽에는 분극 유도 n채널 트랜지스터(전자 사용)가 있고 다른 한쪽에는 p채널 트랜지스터(홀 포함)가 있는 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 장치가 있습니다.

또한 GaN 기판은 압전 계수가 높기 때문에 5G 및 6G 통신에서 무선 주파수 신호를 필터링하고 증폭하기 위한 벌크 탄성파 공진기로 사용할 수 있습니다.반도체에는 "LiFi", 즉 광 기반 전송을 위해 LED 대신 레이저를 통합할 수도 있습니다.

van Deurzen은 “광자, 전자 및 음향 장치의 융합을 가능하게 하기 위해 이것을 본질적으로 확장할 수 있습니다.”라고 말했습니다."무엇을 할 수 있는지에 대한 상상력은 본질적으로 제한되어 있으며, 미래에 시도할 때 탐구되지 않은 기능이 나타날 수 있습니다."