Крок уперед у розробці інтегральних схем на основі алмазної CMOS-технології
Дослідницька команда з Національного інституту матеріалознавства Японії (NIMS) розробила перший у світі n-канальний алмазний МОП-транзистор (метал-оксид-напівпровідниковий польовий транзистор). Це досягнення є значним кроком на шляху до створення інтегральних схем CMOS (комплементарних МОП) на основі алмазу, що дозволить використовувати їх в екстремальних умовах і сприятиме розвитку потужної електроніки нового покоління.
Алмаз як перспективний напівпровідник
Алмаз як напівпровідниковий матеріал має виняткові фізичні властивості:
- надшироку заборонену зону в 5,5 еВ,
- високу рухливість носіїв заряду,
- відмінну теплопровідність.
Ці характеристики роблять алмаз надзвичайно перспективним матеріалом для створення високопродуктивних і надійних пристроїв, здатних працювати в екстремальних умовах — таких як високі температури або сильне радіаційне випромінювання, наприклад, поблизу ядерних реакторів.
Переваги алмазної електроніки
Алмазні транзистори зменшують потребу в складних системах охолодження порівняно з традиційними напівпровідниками. Вони також забезпечують:
- вищу енергоефективність,
- стійкість до пробою при високій напрузі,
- довговічність навіть у найжорсткіших умовах.
Зростаючий попит на CMOS-інтеграцію на основі алмазу
Разом із розвитком технологій вирощування алмазу, алмазна електроніка знаходить застосування у:
- потужній електроніці,
- спінтроніці,
- мікроелектромеханічних системах (MEMS), які працюють при високих температурах і в умовах сильного випромінювання.
У зв’язку з цим зростає потреба в CMOS-схемах на основі алмазу, які дозволяють реалізовувати монолітну інтеграцію. Для створення CMOS-схем необхідні як p-канальні, так і n-канальні МОП-транзистори, як і в традиційній кремнієвій електроніці. Проте n-канальні алмазні МОП-транзистори досі не були розроблені.
Перший у світі n-канальний алмазний польовий транзистор
- (Зліва): Зображення поверхні алмазного епітаксійного шару за допомогою атомно-силової мікроскопії.
- (Посередині): Оптичне зображення виготовленого алмазного МОП-транзистора.
- (Праворуч): Робота транзистора при температурі 300°C. Струм стоку зростає при зміні напруги затвора від -20 В (чорна лінія) до +10 В (жовта лінія).
Автори: Сатоші Коідзумі та Мейон Ляо, Національний інститут матеріалознавства (NIMS)
Технологія та підтвердження працездатності
Команда розробила метод вирощування високоякісного монокристалічного n-типу алмазного шару, легованого невеликою кількістю фосфору. Цей процес дозволив створити гладку атомну поверхню з терасами. Використовуючи цю технологію, дослідники вперше у світі успішно виготовили n-канальний алмазний МОП-транзистор.
Цей МОП-транзистор складається з шару n-типу алмазу, розміщеного над іншим алмазним шаром, легованим більш високою концентрацією фосфору. Такий підхід значно зменшив опір контактів витоку і стоку, покращивши електричні властивості. Команда підтвердила, що транзистор функціонує як справжній n-канальний МОП.
Високотемпературна стабільність
Було також доведено, що транзистор демонструє відмінну продуктивність при високих температурах:
його польова рухливість носіїв заряду при 300°C склала приблизно 150 см²/В·с, що є важливим показником ефективності транзисторів.
Значення відкриття
Ці досягнення відкривають нові можливості для розробки:
- енергоефективної потужної електроніки,
- спінтронних пристроїв,
- MEMS-сенсорів, здатних працювати в екстремальних умовах.
Це важливий крок у напрямку створення нового покоління електроніки на базі алмазу.