オプトエレクトロニクスの将来はこれにかかっているのでしょうか?この「スーパーダイオード」はかなり強力です！

制作：中国科学普及協会

著者：郭飛（煙台大学）

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

ダイオードと聞いて何を思い浮かべますか?携帯電話の充電器の小さな点滅ライトですか?リモコンの前面に赤外線の「目」が付いていますか?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、電流を一方向にのみ通過させる（整流）一方向の「チェックポイント」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、ダイオードの潜在能力はこれをはるかに超えています。中国科学技術大学の孫海鼎教授のiGaN研究室研究グループ、武漢大学の劉勝院士とそのチームは最近、多機能フォトダイオードを開発し、ダイオードの応用展望をまったく新しいレベルに引き上げました。

この記事はNature Electronicsの表紙記事として掲載されました。

（画像出典：参考1）

「スーパーダイオード」、心臓部はやはり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) のように光を発することもできます。光電検出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！これまでは、1 つのダイオードで複数の機能を実現することは想像もできませんでした。

この「スーパーダイオード」の中核は、窒化ガリウムベースの PN 接合です。ご存知のとおり、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 接合に順方向電圧が印加されると、電子と正孔が接合部で出会い、「再結合」して電流を生成し、回路がオンになります。

この再結合プロセスによって光子が放出されると、PN 接合は電気エネルギーを光エネルギーに変換できる発光ダイオードになります。窒化ガリウムは、LED の製造に自然に適した材料です。

3色のLED

(画像出典: Wikipedia)

窒化ガリウムは、新興のワイドバンドギャップ半導体です。従来のシリコンやゲルマニウムと比較すると、これは「大きなもの」のようなもので、電子がそのエネルギーバンドの「ギャップ」を越えるにはより多くのエネルギーが必要です。

これにより、窒化ガリウムには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、高温デバイスの製造に適しています。バンドギャップ幅は青紫色から紫外線までの波長に対応しており、短波長のLEDやレーザーの製造に最適な材料です。さまざまな要素で帯域調整可能な化合物を形成できるため、モノリシック統合（複数の機能デバイスを同じ半導体材料上に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。

こうしたユニークな物理的・化学的特性により、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「スター」として注目されています。

今回、研究者らは窒化ガリウム LED をベースに、一見小さな変更を加えました。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。この独創的なデザインにより、ダイオードには想像力を働かせる余地が生まれます。

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 領域との接触を調整することで、PN 接合領域のキャリア濃度を制御し、デバイスの発光強度と検出感度を調整できます。さらに、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るため、ダイオードは論理演算を実行できます。

これを見ると、多くの読者が混乱し、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。ここで上記の言葉を誰もが理解できる言葉に「翻訳」します。

「ステージ」が「スタジオセンター」にアップグレード、スーパーダイオードは独自の機能を備えています

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て、マクロスケールで明るい光として現れます。

この「ダンス」のリズムは、主に PN 接合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、発光の強度が高くなります。しかし、明るさを調整する以外に、この「ステージ」には他の機能はないようである。

中国の研究者による革新的な設計により、この「ステージ」に新たな機能がもたらされました。彼らは、p 領域の上に独立した第 3 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」のように、PN 接合の「パフォーマンス」に影響を与えることなく、「ダンサー」をさらに制御できます。

具体的には、第 3 電極に負の電圧を印加すると、第 3 電極は「掃除機」のように動作し、p 領域付近の正孔を引き寄せます。正孔の消失は、舞台上の「ダンサー」の減少に似ており、p 領域全体の正孔濃度が低下します。

p 領域内の多数キャリアである正孔の濃度が変化すると、PN 接合の電気特性に大きな影響を与える可能性があります。正孔濃度の減少は、p 領域の導電性が悪化し、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、光度が弱まることを意味します。逆に、第 3 電極に正電圧を印加すると、より多くの正孔が p 領域に押し出され、PN 接合の発光が強化されます。

第三電極を調整すると全体の電圧を調整するのと同様の効果がありますが、その調整効果はより正確で、エネルギー損失は低くなります。

それだけではありません。 3 番目の電極を追加することで、光電検出における新しい用途が生まれます。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と正孔の対が分離され、光電流が生成され、光信号の検出が実現します。 3 番目の電極は、p 領域の正孔濃度を調整することで PN 接合の内蔵電界の強度を変更し、光電流のサイズに影響を与えることができます。これは、必要に応じてダイオードの光電応答感度を調整できる「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えると、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 接合に印加される電圧を 1 つの入力信号、3 番目の電極の電圧を別の入力信号、ダイオードの電流出力を論理結果として考えてみましょう。

回路を巧みに設計し、2 つの入力信号の高レベルと低レベルを調整することで、ダイオードは「AND」、「OR」、「NOT」などの基本的な論理演算を実行できます。これは、単なる「ステージ」を多機能な「放送センター」にアップグレードするのと同じです。

スーパーダイオードの未来

もちろん、この技術を適用するには、デバイスのパフォーマンスをさらに最適化し、製造プロセスの信頼性と一貫性を向上させるなど、克服すべき課題がまだたくさんあります。しかし、この多機能窒化ガリウムダイオードの出現は、より刺激的な光電子工学の世界が静かに近づいていることを示していることは間違いありません。

この世界では、発光、検出、コンピューティングはもはや明確に分離されておらず、単一のデバイス内で完全に統合され、密接に調整されています。この画期的な研究成果は、照明、ディスプレイ、通信、コンピューティングなどの将来の分野に革命的な変化をもたらすと信じるに足る理由があります。

1 つのデバイスで複数の機能を実現。これは単なる技術革新ではなく、まったく新しい考え方を表しています。 「3 in 1」の窒化ガリウムダイオードは、巧妙な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引き出すことができることを示しています。これはまた、科学研究であれ他の分野であれ、固有の境界を打ち破り、大胆に探究し革新することで、常に予期せぬ驚きがもたらされるということを物語っています。

参考文献:

1.三端子発光ダイオード、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. Oi、Sheng Liu、Haiding Sun

2. 呉長鋒。我が国初の光通信および光コンピューティング用の革新的な電界効果制御フォトダイオード