В Киотском университете создали карбид-кремниевый транзистор, работающий при 600 °C
Прибор изготовлен ионной имплантацией — стандартной операцией на обычных полупроводниковых фабриках
Расхождение расчётного и измеренного порогового напряжения снижено с 2 В до менее чем 0,1 В при 400 °C
Кремниевая электроника отказывает уже выше 250 °C, а двойная изоляция колодцами убирает утечки через подложку
Исследовательская группа Киотского университета собрала транзистор на карбиде кремния (SiC), который работает при температуре 600 °C (873 К) и при этом изготавливается методом ионной имплантации — той самой операции легирования, что применяется на серийных полупроводниковых производствах. Разрыв между расчётным и измеренным пороговым напряжением удалось сократить до величины менее 0,1 В при 400 °C, тогда как в привычной компоновке он превышал 2 В.
Источник изображения — tomshardware.com
Работу, о которой объявили в начале месяца, представили Мицуаки Канэко, Сюнъя Сибата и Цуненобу Кимото; результаты опубликованы в журнале APL Electronic Devices. Конструкция сочетает транзистор с нижним затвором и структуру двойного изолирующего колодца — это удерживает полевой транзистор с управляющим p-n переходом (JFET) стабильным при температурах, где кремний перестаёт работать: обычная кремниевая электроника сдаётся уже примерно после 250 °C.
Почему затвор перенесли вниз
Компоновка с нижним затвором размещает электрод под каналом. Такое расположение перехватывает примеси, которые при имплантации рассеиваются глубже задуманного, — этот эффект каналирования и сбивал пороговое напряжение обычных JFET с верхним затвором более чем на 2 В. Когда «хвост» каналирования скомпенсирован, расхождение между расчётом и измерением падает до менее 0,1 В при 400 °C.
Цифра выглядит абстрактной, но именно она определяет, можно ли вообще проектировать схемы. Разброс порога в два вольта означает, что инженер не знает заранее, при каком напряжении откроется транзистор, — а без этого нельзя рассчитать ни логический вентиль, ни усилитель. Сокращение разброса на порядок с лишним переводит технологию из области демонстраций в область предсказуемого проектирования.
Двойной колодец против утечек
Структура двойного колодца изолирует каждый прибор внутри p-n перехода, вместо того чтобы полагаться на полуизолирующую подложку из карбида кремния под ним. Подложка при нагреве теряет изолирующие свойства и начинает пропускать ток утечки сквозь пластину — то есть чем горячее прибор, тем хуже он изолирован.
Группа Канэко сообщает, что оставшаяся утечка находится близко к теоретическому пределу, заданному собственными свойствами материала. Иными словами, на уровне отдельного прибора улучшать здесь уже практически нечего — дальнейший выигрыш придётся искать в схемотехнике и материалах, а не в геометрии.
Чем это отличается от разработок NASA
Рекорды по времени работы в жаре пока принадлежат не Киото. Исследовательский центр NASA имени Гленна эксплуатировал интегральные схемы на карбид-кремниевых JFET, содержащие более 175 транзисторов, свыше года при 500 °C на воздухе, а также 60 суток в условиях, имитирующих поверхность Венеры: 460 °C и давление 9,3 МПа — без всякой защиты.
Но те микросхемы построены на эпитаксиальных приборах по специально созданному техпроцессу. Японские исследователи добрались до более высокой рабочей температуры прибора через ионную имплантацию — метод, уже стандартный для массовых фабрик. Именно в этом и заключается практический смысл работы: технологию не нужно создавать с нуля, она укладывается в существующее производство.
Зачем вообще нужна электроника на 600 градусов
Карбид кремния уже широко масштабируется как материал для силовых приборов — на нём делают преобразователи для электромобилей, зарядных станций и промышленных приводов. А вот высокотемпературная логика — отдельная и куда более узкая ниша.
Сценарии применения выглядят так:
- Газовые турбины и реактивные двигатели — датчики и управляющая электроника прямо в горячей зоне, без выносных линий и охлаждения;
- Глубокое бурение и геотермальные скважины, где температура растёт с глубиной;
- Космические аппараты для Венеры и близких к Солнцу орбит;
- Металлургия и промышленные печи — измерения непосредственно в процессе.
Выигрыш здесь не только в самой стойкости. Электроника, способная работать в горячей зоне, снимает необходимость в системе охлаждения, длинных экранированных кабелях и выносных блоках — а это масса, объём и лишние точки отказа. Стоит отметить, что карбид кремния не единственный кандидат: недавно исследователи показывали приборы на других широкозонных соединениях, сохраняющие работоспособность в диапазоне от 500 °C до температур, близких к абсолютному нулю.
Что мешает применить это завтра
Главное ограничение заложено в самом приборе: транзистор относится к типу нормально открытых. Он проводит ток без приложенного напряжения на затворе, а значит, потребляет энергию в режиме покоя. Для экономичной логики нужны комплементарные пары, собранные из нормально закрытых приборов, — а этот к ним не относится.
Группа Кимото уже демонстрировала комплементарные логические вентили на карбид-кремниевых JFET при 350 °C, и следующий шаг — спроектировать нормально закрытые приборы в новой структуре, чтобы строить малопотребляющие комплементарные схемы.
Остаются и вопросы, которые не решаются на уровне кристалла:
- долговременная надёжность при рабочей температуре — год работы и десять лет работы это разные инженерные задачи;
- термостойкий корпус и выводы: кристалл может выдержать 600 °C, а припой и пластик корпуса — нет;
- пассивные компоненты обвязки, которым тоже нужно жить в той же печи.
Так что до газовой турбины — а тем более до Венеры — этой разработке ещё далеко. Но ценность результата в другом: он показывает, что высокотемпературную электронику можно делать стандартными средствами массового производства, а не в виде штучных экспериментальных образцов. Для читателя из СНГ это, помимо прочего, сюжет о нефтегазовой и энергетической телеметрии — областях, где датчики в горячей зоне десятилетиями остаются одним из самых дорогих узлов.
