Ученые из Киото создали транзистор, который выдерживает температуру 600 °C и не требует новых фабрик

Исследователи Киотского университета создали транзистор на карбиде кремния, который сохраняет работоспособность при 600 °C (873 К). Ключевая деталь в том, что структура сформирована ионной имплантацией, стандартной операцией легирования на коммерческих полупроводниковых производствах.

Для сравнения, кремниевая электроника перестает нормально функционировать примерно выше 250 °C.

Команда учёных объединила транзистор с нижним затвором и двухкарманную изолирующую структуру, чтобы стабилизировать полевой транзистор с управляющим p-n переходом на карбиде кремния при экстремальных температурах.

Главной проблемой классической схемы с верхним затвором было каналирование, эффект, при котором часть внедряемых ионов уходит глубже расчетного уровня. Из-за этого измеренное пороговое напряжение расходилось с проектным более чем на 2 В. Размещение затвора под каналом позволило захватить этот "хвост" примесей, и расхождение сократилось до менее чем 0,1 В при 400 °C.

Вторая часть решения касается токов утечки. Обычно изоляция опирается на полуизолирующую подложку карбида кремния, но при нагреве та теряет изолирующие свойства и начинает пропускать ток через пластину. Двухкарманная структура изолирует каждый прибор внутри p-n перехода, и, по данным группы, оставшаяся утечка близка к теоретическому минимуму, заданному свойствами самого материала.

Высокотемпературная электроника на карбиде кремния существует и сейчас. Исследовательский центр NASA имени Гленна испытывал интегральные схемы на подобных транзисторах, содержащие более 175 элементов, на протяжении более года при 500 °C на воздухе, а также 60 суток в имитации условий поверхности Венеры при 460 °C и давлении 9,3 МПа без какой-либо защиты. Однако те чипы изготавливались по специальному эпитаксиальному процессу, тогда как японская разработка достигла более высокой рабочей температуры на приемах, уже принятых в массовом производстве.

Карбид кремния активно наращивает долю как материал для силовых приборов, но высокотемпературная логика остается отдельной и куда более узкой нишей. Это не единственный широкозонный кандидат – недавно другие группы показывали приборы на легированном кремнием оксиде галлия, сохраняющие работоспособность в диапазоне от 500 °C до температур, близких к абсолютному нулю.

У нынешнего образца есть принципиальное ограничение. Транзистор нормально открытый, то есть проводит ток без напряжения на затворе и постоянно потребляет энергию в режиме ожидания.

Samsung достигла "золотого показателя" 80% в производстве HBM4 и готова бросить вызов SK Hynix

Экономичная логика требует комплементарных пар из нормально закрытых приборов, и следующим шагом группа Кимото называет именно их разработку в новой структуре, ранее команда уже демонстрировала комплементарные логические вентили на карбиде кремния при 350 °C.

До применения в газовых турбинах или зондах для Венеры технологии предстоит решить еще несколько задач.