Исследователи Киотского университета (Kyoto University) создали полевой транзистор на основе карбида кремния (SiC), способный работать при температуре 600 °C (873 K). Главной особенностью разработки стало обещание массового производства на современных фабриках. Высокотемпературные транзисторы для космоса и двигателей — это не новость, но до сих пор они требовали уникальных техпроцессов, что сильно ограничивало их применение.

Транзистор относится к JFET (Junction Field-Effect Transistor) — полевому транзистору с управляющим p–n-переходом. Это высокотемпературное решение впервые было изготовлено методом селективной ионной имплантации — методом легирования, который широко используется в производстве обычных полупроводников.

Обычный кремний, как известно, перестаёт работать при температурах выше примерно 250 °C, тогда как новый SiC-транзистор рассчитан на рабочие условия, характерные, например, для внутренностей авиационных двигателей и поверхности Венеры, где температура достигает около 460 °C. И при этом необычный транзистор и схемы на его основе можно будет выпускать на существующих производствах без глубокой модернизации.

Главной проблемой предыдущих разработок в этой области была нестабильность порогового напряжения при изготовлении методом ионной имплантации. Ионы легирующей примеси при внедрении в кристалл частично распространяются по каналам кристаллической решётки, создавая так называемый «хвост каналирования» — уходя глубже и в стороны от канала и загрязняя кристалл. В новой архитектуре транзистора исследователи разместили затвор под каналом. Такое расположение позволило компенсировать влияние негативного эффекта рассеивания легирующих ионов и существенно точнее задавать пороговое напряжение. В частности, при 400 °C разница между расчётным и измеренным значением порогового напряжения составила менее 0,1 В, тогда как обычно она превышала 2 В, а на такой разнице предсказуемую работу электроники не построишь.

Вторая проблема SiC-транзисторов была связана с током утечки, который резко возрастает при нагреве. Понадобилась дополнительная электрическая изоляция транзистора от подложки, что при температуре работы 200 °C на порядок снизило токи утечки. Но дальнейшее снижение токов утечки, что с сожалением отмечают авторы работы, невозможно уже по причине подключения к этому фундаментальных свойств материала — карбида кремния.

В то же время представленная работа показывает жизнеспособность новой транзисторной архитектуры, которую можно использовать для высокотемпературных интегральных схем. Эта архитектура ещё не проработана до конца, например, исследователи не готовы создавать полноценные комплементарные пары из таких транзисторов, что необходимо для проектирования полноценной и эффективной логики. Эта работа ещё впереди, как и многое другое — от литографии до корпусировки. Но одно только обещание выпускать уникальные высокотемпературные чипы на обычных фабриках — это дорогого стоит. Венера ждёт!

Источник:

Материалы по теме

Материалы по теме