Видит, запоминает, обрабатывает — и всё это один диод размером с нанонить
Новый полупроводник позволит собирать электронику без внешних процессоров.
Обычный диод умеет только одно: пропускает ток в одном направлении и блокирует его в другом. На этом принципе держится почти вся современная электроника. Но для обработки сигналов, хранения данных и работы с изображениями обычно нужны дополнительные элементы: память, процессоры, датчики. Новая разработка китайских и канадских исследователей предлагает объединить эти функции в одном компоненте.
Группа из Университета науки и технологий Китая и Университета Макгилла представила p-n-диод, который совмещает сразу три функции: воспринимает свет, хранит информацию и участвует в обработке сигналов.
В основе лежит хорошо знакомая конструкция p-n-перехода. Такой переход образуют два типа полупроводника: область p-типа с избытком дырок, то есть носителей положительного заряда, и область n-типа с избытком электронов. На границе этих областей возникает переходная область, которая и задает одностороннее движение тока. В классическом варианте на этом возможности диода заканчиваются.
Новая схема использует тот же базовый принцип, но добавляет к нему тонкую настройку зонной структуры материала. Исследователи вырастили вертикальные нанонити на кремниевой подложке. Каждая нить состоит из трех слоев: слоя нитрида галлия p-типа (GaN), затем слоя алюминий-галлиевого нитрида n-типа (AlGaN) и еще одного слоя GaN n-типа.
Ключевая деталь здесь - средний слой AlGaN. У него более широкая запрещенная зона, то есть электронам требуется больше энергии, чтобы пройти через этот участок. В результате слой работает как барьер и одновременно как ловушка для заряда. Электроны накапливаются в определенной области и образуют своего рода резервуар заряда внутри p-n-перехода.
Такая конструкция позволяет управлять захватом и высвобождением носителей заряда намного точнее, чем в обычном диоде. За счет этого один и тот же элемент начинает вести себя по-разному в зависимости от условий. При освещении он работает как фотодетектор и реагирует на свет с чувствительностью около 10,45 мА/Вт. При определенных режимах возбуждения проявляется эффект, похожий на поведение синапсов в нейроморфных системах: отклик усиливается при повторных импульсах, а коэффициент парного облегчения достигает 122%. В других режимах устройство фиксирует состояние и ведет себя как память с восемью устойчивыми уровнями.
Фактически один элемент объединяет функции сенсора, памяти и вычислительного узла. В традиционных схемах для этого пришлось бы собирать несколько разных компонентов и связывать их дополнительной логикой.
В экспериментах исследователи собрали массив из таких диодов и использовали его как компактный датчик изображений. Устройство не только фиксировало картинку, но и сразу выполняло базовую обработку: подавляло шум и распознавало изображение без внешних вычислительных блоков. Такой подход сокращает число элементов в схеме и уменьшает энергопотребление.
Работа опирается на так называемую инженерию зонной структуры, то есть управление энергетическими уровнями внутри материала. Именно этот подход позволяет встроить несколько функций в один p-n-переход без добавления новых контактов или усложнения архитектуры.
Если технологию удастся масштабировать, подобные диоды могут лечь в основу компактной электроники, где датчик, память и обработка объединены в одном месте. Это важно для устройств с жесткими ограничениями по размеру и энергопотреблению: носимой электроники, сенсоров интернета вещей и встроенных систем обработки данных.