Учёные создали электронику, работающую от абсолютного нуля до 500 градусов – идеально для космоса и квантовых компьютеров
Исследователи из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии разработали электронные компоненты, сохраняющие работоспособность при экстремальных температурах – от значений, близких к абсолютному нулю, до 500 °C.
Для сравнения, любой компонент гаджета, с которого вы читаете этот текст, скорее всего вышел бы из строя ещё до отметки 200 °C.
В основе разработки лежит полупроводник на базе оксида галлия. Технология имеет потенциал для применения в космосе, где перепады температур огромны, а также в квантовых вычислениях, требующих работы при криогенных условиях.
Подавляющее большинство современных микросхем, сенсоров и схем построены на кремниевых полупроводниках, а более мощные и высокочастотные – на нитриде галлия и карбиде кремния.
Чтобы такой материал проводил ток, электроны должны получить достаточно энергии и перейти в зону проводимости. На очень низких температурах эта тепловая энергия исчезает, и электроны фактически "замерзают", оставаясь запертыми – явление известно как freeze-out.
Вишал Кхандельвал, бывший аспирант и руководитель исследовательской группы, заявил:
На практике большая часть обычной электроники начинает отказывать уже при температурах ниже примерно 100 К, то есть -173 °C.
Из-за непредсказуемого поведения стандартных компонентов на криогенных температурах системы для дальнего космоса и квантовых компьютеров требуют специальной электроники и сложных схем терморегуляции, что увеличивает стоимость, габариты и общую сложность.
С нагревом картина зеркальная. Избыточная тепловая энергия неконтролируемо выбрасывает большое количество электронов в зону проводимости, даже когда компонент должен оставаться в выключенном состоянии. Это приводит к утечкам тока, нестабильному переключению, перегреву и в итоге к выходу из строя.
Чтобы решить проблему, команда обратилась к полупроводнику со сверхширокой запрещённой зоной – бета-оксиду галлия (β-Ga2O3).
Сверхширокая запрещённая зона делает возбуждение электронов в проводящие состояния гораздо более сложным, благодаря чему материал куда устойчивее к утечкам тока, нестабильности при высоких температурах вплоть до 500 °C и электрическому пробою в экстремальных режимах работы.
Для второго края диапазона исследователи использовали легирование. Чтобы обойти эффект замораживания носителей заряда на криогенных температурах, бета-оксид галлия был интенсивно легирован атомами кремния. В полупроводниковой инженерии легирование – это намеренное введение атомов-примесей для изменения электрических свойств материала и обеспечения свободных носителей заряда.
Высокая концентрация кремниевых примесей создаёт условия, при которых электроны перемещаются прыжками между близко расположенными состояниями, связанными с кремнием, а не полагаются исключительно на тепловую энергию для перехода в зону проводимости. Это позволяет материалу сохранять проводимость даже в тех криогенных условиях, где обычные полупроводники полностью теряют работоспособность.
На основе кремний-легированного бета-оксида галлия команда построила два устройства – FinFET с плавниковыми каналами, более прочными и стабильными, чем у обычных полевых транзисторов, и логический инвертор (NOT-вентиль), один из базовых элементов компьютерных схем. По данным исследователей, оба компонента надёжно работали при температуре всего 2 К, то есть -271,1 °C.
При такой температуре практически нет тепловой энергии, которая помогла бы электронам попасть в зону проводимости оксида галлия. Вместо этого электроны прыгают через примесную зону, созданную атомами кремния, что и позволяет компоненту проводить ток.
Ранее электроника уже работала при ультранизких температурах, но это первая демонстрация полупроводника со сверхширокой запрещённой зоной в транзисторах и логических инверторах при таком уровне холода.
Цель команды – собрать целый набор температурно-устойчивых компонентов на базе бета-оксида галлия, включая радиочастотные транзисторы, фотодетекторы и ячейки памяти.
Мы продемонстрировали базовые строительные блоки, теперь задача – масштабировать это до сложных криогенных чипов и довести производительность до предела в режиме сверхнизких температур.
В случае успеха такие компоненты идеально подойдут для космических зондов, спутников и других технологий, сталкивающихся с резкими перепадами температуры от абсолютного нуля до сотен градусов.
Об авторе
