Wird die Zukunft der Optoelektronik davon abhängen? Diese „Superdiode“ ist ziemlich leistungsstark!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Guo Fei (Yantai-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Woran denken Sie, wenn Sie an Dioden denken? Dieses kleine blinkende Licht an Ihrem Telefonladegerät? Infrarot-„Augen“ auf der Vorderseite der Fernbedienung? Dies sind gängige Anwendungen von Dioden im täglichen Leben. Als Grundkomponente elektronischer Schaltungen ist die Diode eine Art Einweg-„Kontrollpunkt“, der den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt (Gleichrichtung). Diese scheinbar einfache Funktion spielt in unzähligen elektronischen Geräten eine Schlüsselrolle.

Tatsächlich geht das Potenzial von Dioden weit darüber hinaus. Die iGaN Lab-Forschungsgruppe von Professor Sun Haiding an der University of Science and Technology of China, Akademiker Liu Sheng von der Wuhan University und sein Team haben kürzlich eine multifunktionale Fotodiode entwickelt, die die Anwendungsaussichten von Dioden auf ein ganz neues Niveau gehoben hat.

Dieser Artikel wurde als Titelartikel in Nature Electronics veröffentlicht

(Bildquelle: Referenz 1)

"Superdiode", das Herz ist immer noch PN-Übergang

Diese neue Multifunktionsdiode kann nicht nur wie eine gewöhnliche Diode gleichrichten, sondern auch Licht wie eine Leuchtdiode (LED) emittieren. Es verfügt außerdem über die Fähigkeit zur fotoelektrischen Erkennung und logischen Operation. Man könnte sagen, man schlägt drei Fliegen mit einer Klappe! Bisher war es undenkbar, mehrere Funktionen in einer Diode zu realisieren.

Der Kern dieser „Superdiode“ ist ein PN-Übergang auf Galliumnitridbasis. Wie wir alle wissen, ist der PN-Übergang das „Herz“ der Diode und besteht aus zwei Halbleitern, einem p-Typ und einem n-Typ. Wenn eine Durchlassspannung an die PN-Verbindung angelegt wird, treffen Elektronen und Löcher an der Verbindung aufeinander und „rekombinieren“, um Strom zu erzeugen und den Stromkreis einzuschalten.

Werden bei diesem Rekombinationsprozess Photonen freigesetzt, wird der PN-Übergang zu einer Leuchtdiode, die elektrische Energie in Lichtenergie umwandeln kann. Galliumnitrid ist ein Material, das sich von Natur aus zur Herstellung von LEDs eignet.

Drei LED-Farben

(Bildquelle: Wikipedia)

Galliumnitrid ist ein neuer Halbleiter mit großer Bandlücke. Verglichen mit herkömmlichem Silizium und Germanium ist es wie ein „großer Kerl“, und Elektronen benötigen mehr Energie, um seine Energiebandlücke zu überwinden.

Dies verleiht Galliumnitrid viele Vorteile: Es hält höheren Spannungen, Temperaturen und Frequenzen stand und eignet sich für die Herstellung von Geräten mit hoher Leistung, hoher Frequenz und hoher Temperatur; seine Bandlückenbreite entspricht der Wellenlänge von blauviolettem bis ultraviolettem Licht und ist ein ideales Material für die Herstellung von kurzwelligen LEDs und Lasern; Es können bandverstellbare Verbindungen mit einer Vielzahl von Elementen gebildet werden, was die monolithische Integration erleichtert (Integration mehrerer Funktionsgeräte auf demselben Stück Halbleitermaterial zur Bildung eines vollständigen Systems oder Subsystems).

Dank dieser einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften glänzt Galliumnitrid in den Bereichen Beleuchtung, Display, Kommunikation, Leistungselektronik und anderen Bereichen und wird als „Star“ der Halbleiter der dritten Generation gefeiert.

Diesmal nahmen die Forscher eine scheinbar kleine Änderung auf Basis der Galliumnitrid-LED vor: Über dem p-Typ-Bereich des PN-Übergangs wurde eine unabhängig steuerbare dritte Elektrode hinzugefügt. Es ist dieses geniale Design, das der Diode mehr Raum für Fantasie gibt.

Schematische Darstellung der neuen Diode

(Bildquelle: Referenz 1)

Durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen und Regulieren des Kontakts zwischen der Elektrode und der p-Region kann die Trägerkonzentration in der pn-Übergangsregion gesteuert und dadurch die Lumineszenzintensität und die Detektionsempfindlichkeit des Geräts angepasst werden. Noch besser: Die beiden Steuersignale können auch den Eingang eines Logikgatters simulieren, sodass die Diode logische Operationen durchführen kann.

Viele Leser sind angesichts dessen möglicherweise verwirrt und ziehen sich zurück. Keine Sorge, wir werden die obigen Worte jetzt in eine Sprache „übersetzen“, die jeder verstehen kann.

„Stage“ zum „Studio Center“ aufgerüstet, Superdiode verfügt über einzigartige Fähigkeiten

Bei herkömmlichen Galliumnitrid-LEDs ist der PN-Übergang wie eine „Zwei-Personen-Bühne“, auf der Elektronen im n-Bereich und Löcher im p-Bereich aufeinandertreffen und rekombinieren, wobei gleichzeitig Photonen freigesetzt werden, was sich auf makroskopischer Ebene als helles Licht manifestiert.

Der Rhythmus dieses „Tanzes“ wird hauptsächlich durch die an der PN-Verbindung angelegte Spannung gesteuert. Je höher die Spannung, desto schneller „tanzen“ die Elektronen und Löcher und desto größer ist die Lumineszenzintensität. Doch außer der Helligkeitsregulierung scheint diese „Bühne“ keine weiteren Funktionen zu haben.

Die innovativen Designs chinesischer Forscher haben dieser „Bühne“ neue Fähigkeiten verliehen. Sie fügten eine unabhängige dritte Elektrode über der p-Region hinzu. Diese Elektrode kann wie ein „Bühnenmanager“ zusätzliche Kontrolle über die „Tänzer“ bieten, ohne die „Leistung“ der PN-Verbindung zu beeinträchtigen.

Insbesondere wenn an die dritte Elektrode eine negative Spannung angelegt wird, wirkt diese wie ein „Staubsauger“, der Löcher in der Nähe der p-Region anzieht. Das Entfernen der Löcher ist wie die Reduzierung der „Tänzer“ auf der Bühne, wodurch die Löcherkonzentration im gesamten p-Bereich reduziert wird.

Löcher als Mehrheitsträger in der p-Region können die elektrischen Eigenschaften des pn-Übergangs erheblich beeinflussen, wenn sich ihre Konzentration ändert. Eine Verringerung der Löcherkonzentration bedeutet, dass die Leitfähigkeit der p-Region schlechter wird, der Widerstand des pn-Übergangs zunimmt, die Wahrscheinlichkeit des „Zusammentreffens“ von Elektronen und Löchern abnimmt und die Lichtintensität nachlässt. Wenn umgekehrt eine positive Spannung an die dritte Elektrode angelegt wird, werden mehr Löcher in die p-Region gedrückt, wodurch die Lumineszenz des pn-Übergangs verstärkt wird.

Obwohl die Einstellung der dritten Elektrode einen ähnlichen Effekt hat wie die Einstellung der Gesamtspannung, ist ihre Regelungswirkung präziser und der Energieverlust geringer.

Das ist nicht alles. Durch die Hinzufügung der dritten Elektrode ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten in der fotoelektrischen Erkennung. Wenn die Diode in Sperrrichtung betrieben wird, kann das elektrische Feld innerhalb des PN-Übergangs die photogenerierten Elektron-Loch-Paare trennen, einen Fotostrom erzeugen und die Erkennung optischer Signale ermöglichen. Die dritte Elektrode kann die Stärke des eingebauten elektrischen Felds des PN-Übergangs ändern, indem sie die Löcherkonzentration im P-Bereich anpasst und dadurch die Größe des Fotostroms beeinflusst. Dies entspricht einem „Zoomobjektiv“, mit dem die fotoelektrische Reaktionsempfindlichkeit der Diode nach Bedarf angepasst werden kann.

Noch erstaunlicher ist, dass dieses Gerät tatsächlich logische Operationen simulieren kann, wenn man die dritte Elektrode und den PN-Übergang als Ganzes betrachtet! Stellen Sie sich vor, wir könnten die an der PN-Verbindung angelegte Spannung als ein Eingangssignal betrachten, die Spannung an der dritten Elektrode als ein weiteres Eingangssignal und den Stromausgang der Diode als logisches Ergebnis.

Durch geschicktes Design der Schaltung und Anpassen der hohen und niedrigen Pegel der beiden Eingangssignale kann die Diode grundlegende logische Operationen wie „UND“, „ODER“ und „NICHT“ ausführen. Dies entspricht der Aufrüstung einer einfachen „Bühne“ zu einem multifunktionalen „Sendezentrum“!

Die Zukunft der Superdioden

Natürlich müssen noch viele Herausforderungen bewältigt werden, bevor diese Technologie angewendet werden kann, beispielsweise die weitere Optimierung der Geräteleistung und die Verbesserung der Zuverlässigkeit und Konsistenz des Herstellungsprozesses. Doch es besteht kein Zweifel daran, dass das Aufkommen dieser multifunktionalen Galliumnitriddiode ein Zeichen dafür ist, dass sich langsam eine spannendere optoelektronische Welt anbahnt.

In dieser Welt sind Lumineszenz, Detektion und Berechnung nicht mehr klar getrennt, sondern in einem einzigen Gerät perfekt integriert und eng koordiniert. Wir haben Grund zu der Annahme, dass dieses bahnbrechende Forschungsergebnis revolutionäre Veränderungen in Zukunftsbereichen wie Beleuchtung, Display, Kommunikation und Computertechnik mit sich bringen wird.

Ein Gerät, viele Funktionen. Dies ist nicht nur eine technologische Innovation, sondern stellt auch eine völlig neue Denkweise dar. Die „Drei-in-Eins“-Galliumnitriddiode zeigt uns, dass ein scheinbar gewöhnliches Gerät mit cleverem Design und grenzüberschreitender Integration auch außergewöhnliches Potenzial freisetzen kann. Dies zeigt uns auch, dass es – sei es in der wissenschaftlichen Forschung oder in anderen Bereichen – immer zu unerwarteten Überraschungen führt, wenn man die ihm innewohnenden Grenzen überschreitet und es wagt, neue Entdeckungen zu machen und Neuerungen einzuführen.

Quellen:

1. Eine Leuchtdiode mit drei Anschlüssen, Muhammad Hunain Memon, Huabin Yu, Yuanmin Luo, Yang Kang, Wei Chen, Dong Li, Dongyang Luo, Shudan Xiao, Chengjie Zuo, Chen Gong, Chao Shen, Lan Fu, Boon S. Ooi, Sheng Liu und Haiding Sun

2. Wu Changfeng. Die erste innovative feldeffektgesteuerte Fotodiode meines Landes für optische Kommunikation und optisches Computing