Cercetătorii din Japonia dezvoltă un tranzistor din carbură de siliciu care funcționează la 600°C

Adaugă-ne ca sursă preferată în Google

Urmărește-ne in Discover

O echipă de la Universitatea Kyoto a dezvoltat un tranzistor din carbură de siliciu care poate funcționa la temperaturi de până la 600°C. Dispozitivul folosește tehnici de fabricație compatibile cu procesele utilizate deja în producția de cipuri.

Rezultatul ar putea deschide noi posibilități pentru electronica destinată mediilor extreme. Astfel de componente sunt necesare în aplicații unde siliciul convențional nu mai poate funcționa.

Tranzistorul rămâne stabil la temperaturi extreme

Dispozitivul utilizează carbură de siliciu, cunoscută sub acronimul SiC. Materialul poate suporta temperaturi mult mai ridicate decât siliciul obișnuit.

Echipa de cercetare a folosit implantarea ionică pentru doparea semiconductorului. Metoda este deja utilizată pe scară largă în fabricile moderne de cipuri.

Tranzistorul a funcționat la 600°C, echivalentul a 873 K. Cercetătorii au publicat rezultatele în revista APL Electronic Devices.

Unul dintre principalele obiective a fost reducerea diferenței dintre tensiunea de prag proiectată și cea măsurată.

O nouă arhitectură reduce variația tensiunii de prag

Cercetătorii au folosit o configurație care contribuie la controlul impurităților introduse în material prin implantarea ionică.

În structurile convenționale, o parte dintre dopanți pot pătrunde mai adânc decât era prevăzut. Fenomenul este cunoscut drept channeling și poate modifica tensiunea de prag.

În vechea configurație, diferența dintre valoarea proiectată și cea măsurată depășea 2 volți. În noul design, diferența a coborât sub 0,1 volți la 400°C.

Rezultatul indică o stabilitate mai bună a tranzistorului în condiții de temperatură ridicată.

Izolarea printr-o structură cu două regiuni protejează dispozitivul

O altă schimbare importantă este folosirea unei structuri de tip double-well. Aceasta izolează fiecare tranzistor printr-o joncțiune pn.

Soluția evită dependența de substratul de SiC cu proprietăți semiizolatoare. Aceste proprietăți se degradează la temperaturi foarte mari.

Pe măsură ce temperatura crește, substratul poate permite trecerea unui curent de scurgere mai mare. Cercetătorii susțin că noua structură reduce acest efect.

Curentul rezidual de scurgere este aproape de limita teoretică impusă de proprietățile materialului. Astfel, există puțin spațiu pentru îmbunătățiri suplimentare la nivelul tranzistorului.

Tehnologia poate folosi procese de fabricație deja cunoscute

Un avantaj important al abordării este utilizarea implantării ionice. Metoda este deja prezentă în procesele de fabricație ale semiconductorilor comerciali.

NASA a demonstrat anterior circuite integrate SiC cu peste 175 de tranzistoare. Acestea au funcționat mai mult de un an la 500°C în aer.

Agenția americană a testat alte circuite și la temperaturi apropiate de cele de pe Venus. Acestea au rezistat 60 de zile la 460°C și o presiune de 9,3 MPa.

Soluția japoneză urmărește însă un alt obiectiv. Cercetătorii încearcă să obțină temperaturi de funcționare mai mari cu o metodă de fabricație apropiată de procesele industriale actuale.

Limitare importantă pentru nou tranzistor

Dispozitivul este de tip normally-on. Asta înseamnă că tranzistorul conduce chiar și atunci când nu primește tensiune pe poartă.

Un astfel de comportament poate genera consum în regim de așteptare. Pentru circuite logice eficiente sunt necesare perechi complementare formate din tranzistoare normally-off.

Echipa Universității Kyoto a demonstrat deja porți logice complementare din SiC la aproximativ 350°C. Următorul obiectiv este dezvoltarea unor dispozitive normally-off pe baza noii structuri.

Mai sunt necesari pași până la utilizarea comercială a noului tranzistor 

Funcționarea la 600°C reprezintă un progres important, dar nu este suficient pentru utilizarea în sisteme complexe.

Cercetătorii trebuie să demonstreze fiabilitatea pe perioade lungi. Ambalarea componentelor trebuie, de asemenea, să reziste la temperaturi extreme.

Astfel de tehnologii ar putea fi relevante pentru turbine cu gaz, sisteme industriale și aplicații spațiale. Într-un stadiu mai îndepărtat, ele ar putea fi utile și pentru misiuni către medii cu temperaturi extreme, inclusiv Venus.

Următorul pas important va fi dezvoltarea unor circuite complementare complete și testarea lor pe termen lung la temperaturi ridicate.