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다이오드를 생각하면 무엇이 떠오르나요? 휴대폰 충전기의 작은 깜박이는 불빛이요? 리모컨 전면에 적외선 '눈'이 있다? 이는 일상 생활에서 다이오드를 사용하는 일반적인 용도입니다. 전자 회로의 기본 구성 요소인 다이오드는 전류가 한 방향(정류)으로만 흐르도록 허용하는 단방향 "게이트웨이"와 같습니다. 단순해 보이는 이 기능은 수많은 전자 기기에서 중요한 역할을 합니다.

실제로 다이오드의 잠재력은 그 이상입니다. 중국 과학 기술 대학교 Sun Haiding 교수와 우한 대학교 Liu Sheng 학자로 구성된 iGaN 연구소 연구 그룹과 그의 팀은 최근 다기능 포토다이오드를 개발하여 다이오드의 응용 가능성을 완전히 새로운 수준으로 높였습니다. .

이 기사는 Nature Electronics의 표지 기사로 게재되었습니다.

(이미지 출처 : 참고 1)

"슈퍼 다이오드", 심장은 여전히 ​​PN 접합입니다

이 새로운 다기능 다이오드,일반 다이오드처럼 정류할 수 있을 뿐만 아니라 발광다이오드(LED)처럼 빛을 방출할 수도 있고, 광전 감지 및 논리 연산 기능도 갖추고 있습니다. "일석이조"라고 할 수 있어요! 하나의 다이오드에서 여러 기능을 달성하는 것은 과거에는 상상할 수 없었습니다.

이 '슈퍼다이오드'의 핵심은 질화갈륨 기반 PN 접합이다. 우리 모두 알고 있듯이 PN 접합은 다이오드의 "심장"이며 p형과 n형의 두 반도체로 구성됩니다. PN 접합의 양쪽 끝에 순방향 전압을 가하면 전자와 정공이 접합에서 만나 '재결합'하여 전류가 발생하고 회로가 전도성이 됩니다.

이 재결합 과정에서 광자가 방출되면 PN 접합은 발광 다이오드가 되어 전기 에너지를 빛 에너지로 변환할 수 있습니다. 질화갈륨은 LED에 자연적으로 적합한 재료입니다.

LED 3색

(이미지 출처: 위키피디아)

갈륨 질화물은 기존의 실리콘 및 게르마늄과 비교할 때 새로운 광대역 갭 반도체로, 전자가 에너지 밴드 "갭"을 통과하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.

이는 질화갈륨에 다음과 같은 많은 이점을 제공합니다.더 높은 전압, 온도 및 주파수를 견딜 수 있으며 고전력, 고주파 및 고온 장치 제조에 적합합니다. 밴드갭 폭은 청자외선의 파장에 해당하므로 이상적인 재료입니다. 단파장 LED 및 레이저 제조, 다양한 요소로 조정 가능한 에너지 밴드를 갖는 화합물을 형성하여 모놀리식 통합(동일한 반도체 재료에 여러 기능 장치를 통합하여 완전한 시스템 또는 하위 시스템을 형성)을 촉진할 수 있습니다.

이러한 독특한 물리화학적 특성을 지닌 질화갈륨은 조명, 디스플레이, 통신, 전력전자 등 다양한 분야에서 빛을 발하며 3세대 반도체의 '별'로 알려져 있다.

이번에 연구원들은 질화갈륨 LED를 기반으로 외관상 작은 변화를 가했습니다. 즉, PN 접합의 p형 영역 위에 독립적으로 제어 가능한 세 번째 전극을 추가한 것입니다. 다이오드에 더 많은 상상의 여지를 제공하는 것은 바로 이 절묘한 디자인입니다.

새로운 다이오드의 개략도

(이미지 출처 : 참고 1)

서로 다른 전압을 인가하고 전극과 p 영역 사이의 접촉을 조절함으로써 PN 접합 영역의 캐리어 농도를 제어함으로써 소자의 광도 및 검출 감도를 조정할 수 있습니다. 더 좋은 점은 두 제어 신호가 논리 게이트의 입력을 시뮬레이션할 수 있어 다이오드가 논리 작업도 수행할 수 있다는 것입니다.

이것을 보고 많은 독자들이 혼란스러워하고 물러서기 시작할 수도 있습니다. 걱정하지 마십시오. 우리는 모든 사람이 이해할 수 있는 언어로 위의 단어를 "번역"할 것입니다.

'무대'가 '스튜디오 센터'로 업그레이드되고, 슈퍼다이오드가 독보적인 능력을 갖췄다.

전통적인 질화갈륨 LED에서 PN 접합은 n 영역의 전자와 p 영역의 정공이 만나 재결합하여 동시에 광자를 방출하는 "2인용 스테이지"와 같으며, 이는 거시적으로 밝은 빛으로 나타납니다.

이 "댄스"의 리듬은 주로 PN 접합에 적용되는 전압에 의해 제어됩니다. 전압이 높을수록 전자와 정공의 "댄스" 속도가 빨라지고 발광 강도도 커집니다. 하지만 이 '무대'에는 밝기를 조정하는 것 외에 다른 기능은 없는 것 같습니다.

중국 과학 연구자들의 혁신적인 설계는 이 "무대"에 새로운 능력을 부여했습니다. 그들은 p-영역 위에 독립적인 세 번째 전극을 추가했습니다. "무대 관리자"와 같은 이 전극은 PN 노드의 "성능"에 영향을 주지 않고 "댄서"에게 추가 제어를 제공할 수 있습니다.

구체적으로, 제3 전극에 음전압을 인가하면 p영역 부근의 정공을 끌어당기는 '진공청소기' 역할을 한다. 홀의 이탈은 무대에 "댄서"가 적은 것과 마찬가지로 전체 p 영역의 홀 집중도를 감소시킵니다.

정공의 경우 p 영역의 다수 캐리어로서 농도 변화가 PN 접합의 전기적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 정공 농도가 감소한다는 것은 p 영역의 전도성이 악화되고 PN 접합의 저항이 증가하며 전자와 정공이 "만나는" 확률이 감소하고 광도가 약해진다는 것을 의미합니다. 반대로, 세 번째 전극에 양의 전압을 인가하면 p 영역으로 더 많은 정공이 밀려들어 PN 접합의 발광이 강화됩니다.

세 번째 전극을 조정하는 효과는 전체 전압을 조정하는 효과와 유사하지만 제어 효과가 더 정확하고 에너지 손실이 더 낮습니다.

그게 전부는 아닙니다. 세 번째 전극을 추가하면 광전 감지에 새로운 응용 분야가 제공됩니다. 다이오드가 역방향 바이어스에서 작동할 때 PN 접합 내부의 전기장은 광생성된 전자-정공 쌍을 분리하고 광전류를 생성하며 광 신호 감지를 실현할 수 있습니다. 제3 전극은 p 영역의 정공 농도를 조절하여 PN 접합의 내장 전기장의 세기를 변화시켜 광전류의 크기에 영향을 줄 수 있습니다. 이는 필요에 따라 다이오드의 광전 응답 감도를 조정할 수 있는 "줌 렌즈"에 해당합니다.

더욱 놀라운 점은 세 번째 전극과 PN 접합을 전체적으로 고려하면 이 장치가 실제로 논리 연산을 시뮬레이션할 수 있다는 것입니다! PN 접합에 적용된 전압을 하나의 입력 신호로, 세 번째 전극의 전압을 또 다른 입력 신호로, 다이오드의 전류 출력을 논리적 결과로 생각할 수 있다고 상상해 보세요.

회로를 교묘하게 설계하고 두 입력 신호의 하이 레벨과 로우 레벨을 조정함으로써 다이오드가 "AND", "OR" 및 "NOT"와 같은 기본적인 논리 연산을 수행하도록 만들 수 있습니다. 이것은 단순한 "무대"를 다기능 "스튜디오 센터"로 업그레이드하는 것과 같습니다!

'슈퍼다이오드'의 미래 발전

물론, 이 기술이 적용되기 전에 장치 성능을 더욱 최적화하고 제조 공정의 신뢰성과 일관성을 향상시키는 등 극복해야 할 과제가 여전히 많습니다. 그러나 이 다기능 갈륨 질화물 다이오드의 출현은 더욱 흥미로운 광전자공학 세계가 조용히 다가오고 있음을 의미한다는 점에는 의심의 여지가 없습니다.

이 세계에서는 빛 방출, 감지 및 계산이 더 이상 별개가 아니라 하나의 장치 내에서 완벽하게 통합되고 밀접하게 조정됩니다. 우리는 이번 획기적인 연구 결과가 향후 조명, 디스플레이, 통신, 컴퓨팅 등 여러 분야에 획기적인 변화를 가져올 것이라고 확신합니다.

단일 장치, 다양한 기능. 이는 기술 혁신일 뿐만 아니라 새로운 사고 방식을 의미합니다. "3-in-1" 갈륨 질화물 다이오드는 영리한 디자인과 국경을 초월한 통합을 통해 겉보기에 평범해 보이는 장치도 놀라운 잠재력을 발휘할 수 있음을 알려줍니다. 이는 또한 과학 연구든 다른 분야든, 고유의 경계를 허물고 개척하고 혁신할 만큼 용감하면 항상 예상치 못한 놀라움을 가져올 수 있다는 사실을 깨닫게 해줍니다.

참고자료:

1. 3단자 발광 및 감지 다이오드, 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. 광통신 및 광컴퓨팅을 위한 세계 최초의 혁신적인 전계 효과 조절 포토다이오드.

제작사: Popular Science China

저자: 궈 페이(옌타이대학교)

제작자: 중국 대중 과학 박람회