Primer chip de doble cara que combina sus funciones fotónicas y electrónicas simultáneamente

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Este semiconductor tiene dos caras y muchas funciones simultáneas.

Los semiconductores basados en nitruro de galio han sido una bendición para la electrónica de alta frecuencia y potencia.

También han revolucionado la iluminación LED de bajo consumo.

Pero ninguna oblea semiconductora ha sido capaz de hacer ambas cosas al mismo tiempo de manera eficiente.

Ahora, investigadores de Cornell, en colaboración con un equipo de la Academia Polaca de Ciencias, han desarrollado el primer chip de doble cara (o “dualtrónico“) que combina sus funciones fotónicas y electrónicas simultáneamente, una innovación que podría reducir el tamaño de los dispositivos funcionales, hacerlos más eficientes energéticamente y reducir los costos de fabricación.

El proyecto fue dirigido por Debdeep Jena, profesor de Ingeniería David E. Burr en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Huili Grace Xing, profesora William L. Quackenbush de Ingeniería Eléctrica e Informática y de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ambos en Cornell Engineering.

El nitruro de galio (GaN) es único entre los semiconductores de banda ancha porque tiene una gran polarización electrónica a lo largo de su eje cristalino, lo que le da a cada una de sus superficies propiedades físicas y químicas radicalmente diferentes.

El lado del galio, o catión, ha demostrado ser útil para dispositivos fotónicos como LED y láseres, mientras que el lado del nitrógeno, o anión, puede albergar transistores.

El Laboratorio Jena-Xing se propuso crear un dispositivo funcional en el que un transistor de alta movilidad de electrones (HEMT) en un lado impulse diodos emisores de luz (LED) en el otro, una hazaña que no se ha logrado en ningún material.

“Hasta donde sabemos, nadie ha creado dispositivos activos en ambos lados, ni siquiera para silicio“, dijo van Deurzen.

“Una de las razones es que no se obtiene ninguna funcionalidad adicional al utilizar ambos lados de una oblea de silicio porque es cúbica; ambos lados son básicamente iguales.

Pero el nitruro de galio es un cristal polar, por lo que un lado tiene propiedades físicas y químicas diferentes que el otro, lo que nos da un grado adicional en el diseño de dispositivos”.

El proyecto fue concebido inicialmente en Cornell por Jena y el ex investigador postdoctoral Henryk Turski, coautor principal del artículo, junto con Jena y Xing. Turski trabajó con un equipo del Instituto de Física de Alta Presión de la Academia Polaca de Ciencias para desarrollar sustratos de GaN transparentes en una oblea de cristal único de aproximadamente 400 micrones de espesor.

Las heteroestructuras HEMT y LED se desarrollaron luego en Polonia mediante epitaxia de haz molecular.

Una vez completada la epitaxia, el chip se envió a Cornell, donde Kim construyó y procesó el HEMT en la cara polar de nitrógeno.

“El lado polar de nitrógeno es más reactivo químicamente, lo que significa que durante el procesamiento del dispositivo el canal de electrones se puede dañar con bastante facilidad“, dijo Kim.

“Un desafío con la fabricación de transistores polares de nitrógeno es asegurarse de que todos los procesos de plasma y el tratamiento químico no dañen los transistores.

Por lo tanto, hubo mucho desarrollo de procesos que se tuvo que hacer para fabricar y diseñar ese transistor”.

A continuación, van Deurzen construyó el LED en la cara polar de metal, utilizando un revestimiento de fotorresistencia positivo grueso para proteger la cara n-polar procesada previamente.

Después de cada etapa, los investigadores midieron las características de sus respectivos dispositivos y descubrieron que no habían cambiado.

“En realidad, es un proceso muy factible”, dijo van Deurzen.

“Los dispositivos no se degradan. Y esto obviamente es importante si quieres usar esto como una tecnología real”.

Dado que nadie había fabricado un dispositivo semiconductor de doble cara antes, el equipo tuvo que inventar un nuevo método para probarlo y medirlo.

Ensamblaron una placa de vidrio revestida de doble cara “rudimentaria” y unieron con alambre un lado de la oblea a ella, lo que les permitió sondear ambos lados desde arriba.

Debido a que los sustratos de GaN eran transparentes para todo el rango visible, la luz pudo transmitirse a través de ellos.

El dispositivo HEMT logró controlar un LED grande, encendiéndolo y apagándolo a frecuencias de kilohercios, suficientes para una pantalla LED funcional.

En la actualidad, las pantallas LED tienen un transistor separado y procesos de fabricación independientes.

Una aplicación inmediata para el chip dualtrónico son los microLED: menos componentes, ocupan menos espacio y requieren menos energía y materiales, y se fabrican más rápido por un menor costo.

“Una buena analogía es el iPhone“, dijo Jena.

“Es, por supuesto, un teléfono, pero es muchas otras cosas. Es una calculadora, es un mapa, te permite consultar Internet. Así que hay un poco de un aspecto de convergencia.

Yo diría que nuestra primera demostración de ‘dualtrónica’ en este artículo es la convergencia de tal vez dos o tres funcionalidades, pero en realidad es más que eso.

“Ahora no se necesita que los diferentes procesadores realicen funciones diferentes y se reduce la energía y la velocidad que se pierden en las interconexiones entre ellos, lo que requiere más electrónica y lógica.

Muchas de esas funcionalidades se reducen a una sola oblea con esta demostración”.

Otras aplicaciones incluyen dispositivos CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) con un transistor de canal n inducido por polarización (que utiliza electrones) en un lado y un transistor de canal p (que contiene agujeros) en el otro.

Además, debido a que los sustratos de GaN tienen un coeficiente piezoeléctrico alto, se pueden utilizar como resonadores de ondas acústicas en masa para filtrar y amplificar señales de radiofrecuencia en comunicaciones 5G y 6G.

Los semiconductores también podrían incorporar láseres en lugar de LED para transmisiones “LiFi”, es decir, basadas en luz.

“Básicamente, se podría ampliar esto para permitir la convergencia de dispositivos fotónicos, electrónicos y acústicos“, dijo van Deurzen.

“Estás limitado básicamente por tu imaginación en términos de lo que puedes hacer, y pueden surgir funcionalidades inexploradas cuando las probemos en el futuro”.

Fuente: Nature