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ダイオードについて考えるとき、何が思い浮かびますか?携帯電話の充電器にある小さな点滅ライト?リモコンの前面にある赤外線の「目」?これらは日常生活におけるダイオードの一般的な用途です。電子回路の基本コンポーネントであるダイオードは、電流が一方向 (整流) にのみ流れることを許可する一方向の「ゲートウェイ」のようなものです。この一見単純な機能は、数え切れないほどの電子機器で重要な役割を果たしています。

実際、ダイオードの可能性はそれをはるかに超えています。中国科学技術大学のSun Haiding教授と武漢大学のLiu Sheng学者らのiGaN Lab研究グループとそのチームは最近、多機能フォトダイオードを開発し、ダイオードの応用の可能性をまったく新しいレベルに引き上げた。 。

この記事は Nature Electronics の表紙記事として掲載されています

（画像出典：参考１）

「スーパーダイオード」、心臓部は依然としてPN接合

この新しい多機能ダイオードは、通常のダイオードのように整流できるだけでなく、発光ダイオード (LED) のように発光することもでき、光電検出機能や論理演算機能も備えています。まさに「一石三鳥」と言えるでしょう！ 1 つのダイオードで複数の機能を実現することは、過去には想像もできませんでした。

この「スーパー ダイオード」の核となるのは、窒化ガリウム ベースの PN 接合です。周知のとおり、PN 接合はダイオードの「心臓部」であり、p 型と n 型の 2 つの半導体で構成されています。 PN 接合の両端に順方向電圧が印加されると、電子と正孔が接合で出会って「再結合」し、それによって電流が発生し、回路が導通します。

この再結合プロセスによって光子が放出されると、PN 接合が発光ダイオードになり、電気エネルギーを光エネルギーに変換できます。窒化ガリウムは本来 LED に適した材料です。

3色のLED

（画像出典：ウィキペディア）

窒化ガリウムは、新興のワイドバンドギャップ半導体であり、従来のシリコンやゲルマニウムと比較すると、電子がそのエネルギーバンドの「ギャップ」を通過するためにより多くのエネルギーを必要とします。

これにより、窒化ガリウムには次のような多くの利点がもたらされます。より高い電圧、温度、周波数に耐えることができ、高出力、高周波、高温のデバイスの製造に適しており、そのバンドギャップ幅は青紫から紫外光の波長に相当するため、理想的な材料となります。短波長 LED およびレーザーの製造。さまざまな元素を使用して調整可能なエネルギー バンドを持つ化合物を形成できるため、モノリシック集積 (同じ半導体材料上に複数の機能デバイスを統合して完全なシステムまたはサブシステムを形成すること) が容易になります。

このようなユニークな物理的・化学的性質をもつ窒化ガリウムは、照明、ディスプレイ、通信、パワーエレクトロニクスなどの分野で活躍し、第3世代半導体の「花形」として知られています。

今回、研究者らは窒化ガリウム LED に基づいて一見小さな変更を加え、PN 接合の p 型領域の上に独立して制御可能な第 3 の電極を追加しました。この絶妙な設計により、ダイオードに想像力の余地がさらに広がります。

新しいダイオードの回路図

（画像出典：参考１）

異なる電圧を印加し、電極とp領域間の接触を調整することにより、PN接合領域のキャリア濃度を制御し、それによってデバイスの発光強度と検出感度を調整できます。さらに良いことに、2 つの制御信号は論理ゲートの入力をシミュレートすることもでき、ダイオードが論理演算を実行できるようになります。

これを見て、多くの読者が混乱して後ずさりし始めるかもしれません。心配しないでください。上記の言葉を誰もが理解できる言語に「翻訳」します。

「ステージ」が「スタジオセンター」にグレードアップ、スーパーダイオードが独自の機能を搭載

従来の窒化ガリウム LED では、PN 接合は「2 人ステージ」のようなもので、n 領域の電子と p 領域の正孔が出会って再結合し、同時に光子を放出し、巨視的には明るい光として見えます。

この「ダンス」のリズムは主に、PN 接合の両端に印加される電圧によって制御されます。電圧が高くなるほど、電子と正孔の「ダンス」が速くなり、発光の強度も大きくなります。しかし、この「ステージ」には明るさを調整する以外に他の機能はないようです。

中国の科学研究者の革新的な設計により、この「ステージ」に新たな機能が与えられました。彼らは、p 領域の上に独立した 3 番目の電極を追加しました。この電極は、「ステージマネージャー」と同様に、PN ノードの「パフォーマンス」に影響を与えることなく、「ダンサー」に追加の制御を提供できます。

具体的には、第 3 の電極に負の電圧が印加されると、第 3 の電極は「真空掃除機」のように動作し、p 領域近くに正孔を引き寄せることができます。ステージ上の「ダンサー」が減るのと同じように、ホールが離れると、p 領域全体のホール濃度が減少します。

正孔に関しては、p 領域の多数キャリアとして、その濃度の変化は PN 接合の電気的特性に大きな影響を与えます。正孔濃度の減少は、p領域の導電性が悪くなり、PN接合の抵抗が増加し、電子と正孔が「出会う」確率が減少し、発光強度が弱くなることを意味します。逆に、第 3 の電極に正の電圧が印加されると、より多くの正孔が p 領域に押し込まれ、PN 接合の発光が強化されます。

3 番目の電極を調整する効果は全体の電圧を調整する効果と似ていますが、その制御効果はより正確であり、エネルギー損失が低くなります。

それだけではありません。第 3 の電極を追加することで、光電検出における新たな用途が可能になります。ダイオードが逆バイアスで動作すると、PN 接合内の電界によって光生成された電子正孔対が分離され、光電流が生成され、光信号の検出が実現されます。第 3 の電極は、p 領域の正孔濃度を調整することによって PN 接合の内蔵電界の強度を変更し、それによって光電流のサイズに影響を与えることができます。これは、ダイオードの光電応答感度を必要に応じて調整できる「ズームレンズ」に相当します。

さらに驚くべきことは、第 3 の電極と PN 接合を全体として考慮すると、このデバイスは実際に論理演算をシミュレートできることです。 PN 接合にかかる電圧を 1 つの入力信号として、3 番目の電極の電圧を別の入力信号として、ダイオードの電流出力を論理結果として考えることができると想像してください。

回路を巧みに設計し、2 つの入力信号のハイレベルとローレベルを調整することで、ダイオードに「AND」、「OR」、「NOT」などの基本的な論理演算を実行させることができます。これは、単なる「ステージ」を多機能な「スタジオセンター」にアップグレードすることに相当します。

「スーパーダイオード」の今後の展開

もちろん、デバイス性能のさらなる最適化や製造プロセスの信頼性と一貫性の向上など、この技術を適用する前に克服する必要のある課題はまだ多くあります。しかし、この多機能窒化ガリウムダイオードの出現が、よりエキサイティングなオプトエレクトロニクスの世界が静かに到来していることを示していることは疑いの余地がありません。

この世界では、発光、検出、計算はもはや別個のものではなく、1 つのデバイス内で完全に統合され、緊密に調整されています。この画期的な研究成果は、将来、照明、ディスプレイ、通信、コンピューティングなどの分野に必ず革命的な変化をもたらすと私たちは確信しています。

単一のデバイスで複数の機能。これは単なる技術革新ではなく、新しい考え方を表しています。 「スリーインワン」窒化ガリウムダイオードは、賢い設計と国境を越えた統合により、一見普通のデバイスでも並外れた可能性を解き放つことができることを教えてくれます。このことはまた、科学研究であれ他の分野であれ、固有の境界を打ち破り、開拓と革新を行う勇気が常に予期せぬ驚きをもたらす可能性があることを私たちに教えてくれます。

参考文献:

1. 3端子発光および検出ダイオード、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、Haiding Sun
2. Wu Changfeng、光通信および光コンピューティング用の我が国初の革新的な電界効果型フォトダイオード

制作：ポピュラー・サイエンス・チャイナ

著者：郭飛（煙台大学）

プロデューサー: 中国大衆科学博覧会