未来光电要靠它?这个“超级二极管”有点厉害!

来源:科普中国 发布时间:2024年07月05日 作者:中国科普博览

出品:科普中国

作者:郭菲(烟台大学)

监制:中国科普博览

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提起二极管,你会想到什么?手机充电器上闪烁的小灯?遥控器前端的红外“眼睛”?这些都是二极管在日常生活中的常见应用。作为电子电路的基础元件,二极管就像一个单行道的“关卡”,只允许电流单方向通过(整流)。这个看似简单的功能,却在无数电子设备中发挥着关键作用。

其实,二极管的潜力远不止于此。中国科学技术大学孙海定教授iGaN Lab课题组、武汉大学刘胜院士及其团队,最新研制出一种多功能的光电二极管,将二极管的应用前景提升到了一个全新的高度。

本文以封面文章形式登上《自然-电子》

(图片来源:参考文献1)

“超级二极管”,心脏还是PN结

这种新型多功能二极管,不仅能像普通二极管那样整流,还能像发光二极管(LED)一样发光,同时还具备光电探测和逻辑运算的能力,真可谓“一石三鸟”!在一个二极管内实现多种功能,这在以往是难以想象的。

这种“超级二极管”的核心,是一个氮化镓基的PN结。众所周知,PN结是二极管的“心脏”,由p型和n型两种半导体构成。当PN结两端加上正向电压时,电子和空穴就会在交界处相遇,发生“复合”,从而产生电流,令电路导通。

如果这个复合过程释放出光子,PN结就变成了发光二极管,能将电能转化为光能。而氮化镓,正是一种天生适合做LED的材料。

三种颜色的LED

(图片来源:维基百科)

氮化镓是一种新兴的宽禁带半导体,与传统的硅、锗相比,它就像一个“大块头”,电子要跨过它的能带“鸿沟”需要更大的能量。

这赋予了氮化镓诸多优势:它能承受更高的电压、温度和频率,适合制造高功率、高频、高温的器件;它的禁带宽度对应着蓝紫光到紫外光的波长,是制造短波长LED和激光器的理想材料;它能与多种元素形成能带可调的化合物,方便实现单片集成(在同一块半导体材料上集成多种功能器件,形成一个完整的系统或子系统)。

凭借这些独特的物理化学性质,氮化镓在照明、显示、通信、电力电子等领域大放异彩,被誉为第三代半导体的“明星”。

而这次,科研人员基于氮化镓LED,做了一个看似小小的改动:在PN结的p型区域上方,添加了一个可独立控制的第三电极。就是这个精巧的设计,让二极管有了更多想象空间。

新型二极管示意图

(图片来源:参考文献1)

通过施加不同电压,调控电极与p区的接触,就能控制PN结区域的载流子浓度,进而调节器件的发光强度和探测灵敏度。更妙的是,两个调控信号还能模拟逻辑门的输入,让二极管兼具逻辑运算的本领。

看到这儿,也许不少读者已经一头雾水,开始打起退堂鼓了,先别急,我们接下来就用大家都能听懂的语言,给大家把上面的话“翻译”一遍。

“舞台”升级“演播中心”,超级二极管本领独到

在传统的氮化镓LED中,PN结就像一个“双人舞台”,n区的电子和p区的空穴在这里相遇、复合,同时释放出光子,宏观上表现为发出亮光。

而这支“舞蹈”的节奏,主要由施加在PN结两端的电压来控制。电压越高,电子和空穴“跳舞”的速度就越快,发光强度也就越大。但除了调节亮度外,这个“舞台”似乎没有什么别的功能。

中国科研人员的创新设计,却让这个“舞台”有了新的本事。他们在p区上方,添加了一个独立的第三电极。这个电极,就像一个“舞台监督”,可以在不影响PN结“表演”的同时,对“舞者”们进行额外的调控。

具体来说,当在第三电极上施加一个负电压时,它就像一个“吸尘器”,可以将p区附近的空穴吸引过去。空穴的离去,就像舞台上的“舞者”变少了,会使整个p区的空穴浓度下降。

而空穴,作为p区的多数载流子,其浓度的改变会显著影响PN结的电学性质。空穴浓度降低,意味着p区的导电性变差,PN结的电阻增大,电子和空穴“相遇”的概率降低,发光强度就会减弱。反之,如果在第三电极上施加正电压,就会将更多空穴推向p区,增强PN结的发光。

调节第三电极虽然和调节整体电压取得的效果类似,但是它的调控效果更加精准,且能量损耗更低。

这还不是全部,第三电极的加入,让它在光电探测方面有了新的应用。当二极管工作在反向偏置时,PN结内部的电场可以将光生电子-空穴对分离,产生光电流,实现光信号的检测。而第三电极可以通过调节p区空穴浓度,来改变PN结内建电场的强度,进而影响光电流的大小。这就相当于一个“变焦镜头”,可以根据需要调节二极管的光电响应灵敏度。

更令人惊叹的是,当把第三电极和PN结看作一个整体时,这个器件居然还能模拟逻辑运算!想象一下,我们可以把施加在PN结两端的电压看作一个输入信号,把第三电极的电压看作另一个输入信号,而将二极管的电流输出看作逻辑结果。

通过巧妙地设计电路,调整两个输入信号的高低电平,就可以让这个二极管执行“与”“或”“非”等基本逻辑操作。这就相当于把一个单纯的“舞台”升级成了一个多功能的“演播中心”!

“超级二极管”的未来发展

当然,这项技术要走向应用还有许多挑战需要克服,比如进一步优化器件性能,提高制造工艺的可靠性和一致性等。但毋庸置疑的是,这种多功能氮化镓二极管的面世,昭示着一个更加精彩的光电世界正在悄然来临。

在这个世界里,发光、探测、运算不再泾渭分明,而是在一个器件内完美融合、密切配合。我们有理由相信,这项突破性的研究成果,必将为未来的照明、显示、通信、计算等领域带来革命性的变革。

单一器件,多重功能。这不仅是一项技术创新,更代表了一种全新的思路。“三合一”的氮化镓二极管告诉我们,只要巧妙设计,跨界融合,一个看似普通的器件,也能释放出非凡的潜力。这也启示我们,无论在科研还是在其他领域,打破固有的边界,勇于开拓创新,总能带来意想不到的惊喜。

参考文献:

1.A three-terminal light emitting and detecting diode, 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.吴长锋. 用于光通信与光计算 我国在国际上首创新型场效应调控光电二极管