Высокотемпературные транзисторы попали в новый рекорд

Эта статья является частью нашего эксклюзивного IEEE Journal Watch Series В партнерстве с IEEE XPLORE.

Два полупроводника –карбид кремния и нитрид галлия– Соперники в (буквально) нагретой конкуренции за то, чтобы сделать схемы, способные выполнять при высоких температурах. Силиконовый карбид Чипы взяли лидерство, работая при 600 ° C. Но нитрид галлиякоторые обладают уникальными функциями, которые делают его более функциональным при высоких температурах, теперь превзошел SIC. Исследователи из Университета штата Пенсильвания во главе с Ронгинг Чупрофессор электротехникаразработали чип нитрида галлия, способный Работа при 800 ° С – ХОРОШО, чтобы растопить столовую соль.

Развитие может иметь решающее значение для будущих космических зондов, реактивные двигателиВ фармацевтический процессы и множество других приложений, которые требуют схем для экстремальных условий. Кремниевые высокотемпературные чипы позволили ученым размещать датчики в местах, где они не могли раньше, говорит Алан Мантхтупрофессор электротехники и компьютерных наук в Университете Арканзаса, который не участвовал в новом результате нитрида галлия. Он объясняет, что чип нитрида галлия может сделать то же самое при мониторинге здоровья природный газ турбины, энергоемкие производственные процессы на химических заводах и нефтеперерабатывающих заводах, и системы, о которых никто даже не думал.

«Мы можем поместить такую электронику в местах, где Силикон просто не может представить себе, как идти», – говорит он.

Как кремниевый карбид, так и нитрид галлия для выполнения в таких экстремальных условиях поступают из их широких полос. Это энергетические разрывы между валентными полосами материалов, где электроны связаны с молекулой и полосой проводимости, где они могут свободно вносить вклад в поток электричества. При высоких температурах электроны в материалах с более узкой полосой, всегда взволнованы, чтобы добраться до полосы проводимости. Это представляет проблему для транзисторыпотому что тогда они не смогут отключиться. Широкая полосатая вершина карбида кремния и нитрида галлия требует большей энергии для возбуждения электронов в полосу проводимости, так что транзисторы не всегда непреднамеренно включаются в высокотемпературных средах.

Нитрид галлия также имеет уникальные особенности по сравнению с карбидом кремния, что позволяет чипсам лучше работать в условиях высокого нагрева. IC группы Чу, которую они описали в этом месяце в IEEE Electron Device Lettersсостоит из так называемого нитрида галлия Высокая электронная подвижность транзисторов (HEMT)Полем Структура GaN Hemts включает в себя алюминиевую нитридную пленку галлия поверх слоя нитрида галлия. Структура привлекает электроны на границу между двумя материалами.

Этот слой электронов-нанесил двумерный электронный газ (2deg) – высоко концентрирован и движется с небольшим сопротивлением. Это означает, что заряд движется гораздо быстрее в 2DEG, что приводит к тому, что транзистор может быть в состоянии реагировать на изменения напряжения и быстрее переключаться между его включенными и выключенными состояниями. Более быстрое движение электронов также позволяет транзистору переносить больше тока в ответ на заданное напряжение. 2DEG сложнее произвести с использованием карбида кремния, что затрудняет его чипсы, чтобы соответствовать производительности устройств нитрида галлия.

Чтобы уговорить Gan Hemt в эксплуатацию при 800 ° C, приняли некоторые изменения в свою структуру, объясняет YIXIN XIONGАспирант Чу. Некоторые из этих мер касались минимизации ток утечкизаряжайте, что это пробирается, даже когда транзистор должен быть отключен. Они сделали это, используя тантал Силицид -барьер для защиты компонентов устройства от окружающей среды и предотвращения наружного слоя металла по бокам устройства прикоснуться к 2DEG, что еще больше увеличило бы ток утечки и нестабильность в транзисторе.

Penn State Инженеры протестировали высоко Электронная подвижность транзисторы при 800 ° C.Ронгинг Чу/Пенсильвания Государственный университет

Чу говорит, что процесс исследований и изготовления чипа пошел намного быстрее, чем он ожидал. По его словам, команда была уверена, что эксперимент будет работать. Но это было «быстрее, чем мое лучшее предположение», говорит он.

Несмотря на заметные преимущества, которые он приносит, Mantooth обеспокоен долгосрочной надежностью нитрида галлия по сравнению с карбидом кремния. «Одна из вещей, о которой люди были обеспокоены с Ганом при этих экстремальных температурах, 500 ℃ и выше, – это микрофракции или микротрещины [which is] Не то, что мы обязательно видим в карбиде кремния, поэтому могут возникнуть проблемы с надежностью », – объясняет он.

Чу соглашается с тем, что долгосрочная надежность является областью для улучшения, заявив, что «есть несколько технических улучшений, которые мы можем сделать: один из них делает его более надежным при высокой температуре. Прямо сейчас, я думаю, мы можем удерживать 800 ℃, вероятно, 1 час».

Нитрид галлия против карбида кремния

По словам Xiong, еще предстоит проделать много работы, чтобы улучшить устройство. Он объясняет, что, кроме минимизации тока утечки, одна функция силицицидондского барьера тантала – предотвратить титан в устройстве от потенциально реагирования с пленкой Algan, которая может уничтожить 2Deg. В конце концов, Xiong хочет полностью удалить титан с устройства. «Я бы сказал, что конечная цель – не полагаться на титан», – заключает он.

Несмотря на свои потенциальные проблемы с долговечностью, чип группы расширяет границы того, где может работать электроника, например, на поверхности ВенераПолем «Если вы можете держать его в течение 1 часа в 800 ℃, это означает, что при 600 или 700 ℃ вы можете держать его гораздо дольше», – объясняет Чу. Температура окружающей среды Венеры составляет 470 ℃, поэтому новая температурная запись Ган может быть полезна для электроники в Венера зондПолем

800 ℃ цифра также важна для гиперзвуковой самолет и оружиеобъясняет Mantooth. Их экстремальные скорости генерируют трение, которое может нагреть поверхность до 1500 ℃ или больше. «Одна из вещей, которые многие люди не понимают, это то, что когда вы летите в Mach 2 или Mach 3, воздушное трение создает экстремальная среда На переднем крае крыла… А угадай что? Вот где находится ваш радар. Вот где находится другое обработанное оборудование. Эти приложения являются тем, почему Министерство обороны США заинтересована в электронике для экстремальных температур », – говорит Мантют.

Что касается планов на будущее, Чу говорит, что следующие шаги – «масштабировать устройство, чтобы оно работало быстрее». Он также считает, что чип может быть готов к коммерциализации не слишком далеко в будущем, потому что поставщики так мало для чипов, способных работать при таких экстремальных температурах. «Я думаю, что это вполне готово. Это требует некоторых улучшений, но приятная вещь о высокотемпературной электронике заключается в том, что там нет ничего другого»,-говорит он.

Однако победа нитрида нитрида галлия против его кремниевых карбида -компаньонов может длиться недолго. Лаборатория Mantooth также изготавливает высокотемпературные чипсы и работает над тем, чтобы получить карбид кремния, чтобы достичь уровня тепла, которые имеют чипсы Чу. «Мы будем изготавливать схемы, чтобы попытаться атаковать те же температуры с помощью карбида из кремния», – говорит Мантют. Хотя неясно, кто в конечном итоге закончится сверху, по крайней мере одна вещь наверняка: конкуренция все еще нагревается.