Дослідники з Кіотського університету розробили транзистор на основі карбіду кремнію (SiC), здатний стабільно працювати за температури до 600 °C. Така витривалість відкриває перспективи для електроніки, яка має функціонувати там, де звичайні кремнієві мікросхеми швидко втрачають працездатність. Результати роботи опубліковані у журналі APL Electronic Devices.
Ключовим рішенням стала технологія іонної імплантації — стандартний метод легування, який широко використовують на промислових виробництвах мікросхем. Це особливо важливо, адже нову конструкцію потенційно простіше інтегрувати в наявні виробничі процеси.
Як транзистору вдалося витримати спеку
Звичайні конструкції SiC-транзисторів можуть мати значну різницю між розрахунковою та реальною пороговою напругою. Причиною є так званий ефект каналювання: під час іонної імплантації частина домішок проникає глибше, ніж очікується.
Команда використала нижній затвор, розташований під каналом транзистора. Така схема компенсує небажане проникнення домішок і суттєво підвищує точність роботи. За температури 400 °C різницю між розрахунковою та виміряною пороговою напругою вдалося зменшити з понад 2 В до менш ніж 0,1 В.
Додатково дослідники застосували конструкцію з подвійною ізоляцією на основі p-n-переходів. Вона перешкоджає витоку струму, який може посилюватися під час нагрівання підкладки з SiC.
Для чого потрібна така електроніка
Звичайний кремній починає серйозно обмежуватися при температурах значно нижчих за 600 °C. Натомість SiC уже активно використовують у силовій електроніці, хоча високотемпературна логіка залишається значно менш поширеною.
Подібні транзистори можуть бути корисними для авіаційних і космічних систем, промислового обладнання, енергетики та дослідження екстремальних середовищ, де охолодження електроніки складне або практично неможливе.
Особливо цікаво, що кіотський транзистор створено з використанням технології, знайомої масовому виробництву мікросхем. Це може стати важливою перевагою, якщо в майбутньому такі компоненти знадобиться масштабувати.
Транзистор нормально відкритий, тому він проводить струм без подачі напруги на затвор і споживає енергію в режимі очікування. Енергоефективна логіка потребує комплементарних пар, побудованих із нормально закритих пристроїв, чого в цій конструкції немає. Група Кімото вже продемонструвала комплементарні логічні вентилі на SiC JFET, здатні працювати при 350 °C, а наступним кроком має стати розробка нормально закритих пристроїв у новій структурі для створення малопотужних комплементарних схем. Тривала надійність за високих температур і термостійкий корпус — лише дві з проблем, які дослідникам доведеться розв’язати, перш ніж така технологія зможе знайти застосування в газових турбінах або на Венері.