Transistores de alta temperatura atingiram um novo recorde

Este artigo faz parte do nosso exclusivo IEEE Journal Watch Series Em parceria com o IEEE Xplore.

Dois semicondutores –carboneto de silício e nitreto de gálio– são os rivais em uma competição (literalmente) aquecida para tornar os circuitos capazes de se apresentar nas temperaturas mais altas. Carboneto de silício Os chips assumiram a liderança, operando a 600 ° C. Mas nitreto de gálioque possui características únicas que o tornam mais funcional em altas temperaturas, agora superou o SIC. Pesquisadores da Universidade Estadual da Pensilvânia liderados por Rongming Chuum professor de Engenharia Elétricaprojetaram um chip de nitreto de gálio capaz de operando a 800 ° C —HOT o suficiente para derreter o sal de mesa.

O desenvolvimento pode ser crítico para as sondas espaciais futuras, motores a jatoAssim, farmacêutico processos e uma série de outras aplicações que precisam de circuitos para condições extremas. Os chips de alta temperatura de carboneto de silício permitiram que os cientistas colocassem sensores em lugares que não eram capazes antes, diz Alan MantoothProfessor de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação na Universidade do Arkansas, que não esteve envolvida no novo resultado de nitreto de gálio. Ele explica que o chip de nitreto de gálio poderia fazer o mesmo ao monitorar a saúde de gás natural Turbinas, processos de fabricação intensivos em energia em plantas e refinarias químicas e sistemas que ninguém sequer pensou ainda.

“Podemos colocar esse tipo de eletrônica em lugares que o silício simplesmente não consegue imaginar ir”, diz ele.

O potencial de carboneto de silício e nitreto de gálio de executar em condições tão extremas vem de seus largos de banda. Essas são as lacunas de energia entre as faixas de valência dos materiais, onde elétrons estão ligados à molécula e à banda de condução, onde estão livres para contribuir para o fluxo de eletricidade. Em altas temperaturas, os elétrons em materiais com um gapa de banda mais estreitos estão sempre excitados o suficiente para alcançar a banda de condução. Isso apresenta um problema para transistoresporque eles não poderão desligar. As largas de banda de carboneto de silício e nitreto de gálio requerem mais energia para excitar elétrons para a banda de condução, para que os transistores não sejam involuntariamente sempre ligados em ambientes de alta temperatura.

O nitreto de gálio também possui recursos exclusivos em comparação com o carboneto de silício, que permitem que seus chips tenham melhor desempenho sob condições de alto calor. O IC do grupo de Chu, que eles descreveram este mês em Cartas de dispositivo eletrônico IEEEé composto pelo que é chamado de nitreto de gálio Transistores de mobilidade de alto elétrons (HEMT). A estrutura dos Hemts GaN envolve um filme de nitreto de gálio de alumínio em cima de uma camada de nitreto de gálio. A estrutura atrai elétrons para a interface entre os dois materiais.

Esta camada de elétrons-chamou um bidimensional Gas de elétrons (2DEG) – é altamente concentrado e se move com pouca resistência. Isso significa que a cobrança se move muito mais rápido no 2DEG, levando o transistor a poder responder a mudanças na tensão e alternar entre os estados ligados e desligados mais rapidamente. O movimento mais rápido de elétrons também permite que o transistor carregue mais corrente em resposta a uma determinada tensão. O 2DEG é mais difícil de produzir usando carboneto de silício, tornando mais difícil para seus chips corresponder ao desempenho de dispositivos de nitreto de gálio.

Para persuadir um gan hemt a operar a 800 ° C levou algumas alterações em sua estrutura, explica Yixin XiongEstudante de pós -graduação de Chu. Algumas dessas medidas envolvidas minimizando corrente de vazamentocarregue que se infiltra mesmo quando o transistor deve estar desligado. Eles fizeram isso usando um tântalo Barreira de silicida para proteger os componentes do dispositivo do ambiente e impedir a camada externa do metal nas laterais do dispositivo de tocar no 2DEG, o que aumentaria ainda mais a corrente de vazamento e a instabilidade no transistor.

Penn State Os engenheiros testaram alto Mobilidade eletrônica Transistores a 800 ° C.Rongming Chu/Pensilvânia Universidade Estadual

Chu diz que o processo de pesquisa e fabricação do chip foi muito mais rápido do que ele havia previsto. A equipe estava confiante de que o experimento funcionaria, diz ele. Mas foi “mais rápido que o meu melhor palpite”, diz ele.

Apesar dos benefícios notáveis que apresenta, o Mantooth está preocupado com a confiabilidade de longo prazo do nitreto de gálio em comparação com o carboneto de silício. “Uma das coisas com as quais as pessoas se preocupam com GaN nessas temperaturas extremas, 500 ℃ e acima, são microfraturas ou microcracking [which is] Não é algo que estamos necessariamente vendo no carboneto de silício, então pode haver problemas de confiabilidade ”com Gan, explica ele.

A CHU concorda que a confiabilidade de longo prazo é uma área de melhoria, dizendo: “Existem algumas melhorias técnicas que podemos fazer: uma está tornando-a mais confiável em alta temperatura. No momento, acho que podemos manter 800 ℃ por provavelmente 1 hora”.

Nitreto de gálio vs. carboneto de silício

Ainda há muito trabalho a ser feito para melhorar o dispositivo, diz Xiong. Ele explica que, além de minimizar a corrente de vazamento, uma função da barreira de silicida do tântalo é prevenir titânio no dispositivo de reagir potencialmente com o filme Algan, que poderia destruir o 2DEG. Eventualmente, o Xiong quer remover completamente o titânio do dispositivo. “O objetivo final, eu diria, é não confiar no titânio”, conclui.

Apesar de seus possíveis desafios de longevidade, o chip do grupo está empurrando os limites de onde os eletrônicos podem operar, como na superfície de Vênus. “Se você pode segurá -lo por 1 hora a 800 ℃, isso significa que, em 600 ou 700 ℃, você pode segurá -lo por muito mais tempo”, explica Chu. Venus’s ambient temperature is 470 ℃, so GaN’s new temperature record could be useful for electronics in a Vênus sonda.

A figura 800 ℃ também é importante para Aeronaves hipersônicas e armasexplica o Mantooth. Suas velocidades extremas geram atrito que podem aquecer a superfície para 1.500 ℃ ou mais. “Uma das coisas que muitas pessoas não percebem é que, quando você está voando em mach 2, ou mach 3, o atrito do ar cria um ambiente extremo Na vanguarda da asa…. E adivinha? É aí que seu radar está localizado. É aí que está localizado outros equipamentos de processamento. Essas aplicações são o motivo pelo qual o Departamento de Defesa dos EUA está interessado em eletrônicos para temperaturas extremas ”, diz Mantooth.

No que diz respeito aos planos para o futuro, Chu diz que as próximas etapas são “escalar o dispositivo para fazê -lo mais rápido”. Ele também acha que o chip pode estar pronto para a comercialização não muito longe, porque existem muito poucos fornecedores para chips capazes de operar a temperaturas tão extremas. “Eu acho que está bastante pronto. Isso requer algumas melhorias, mas o bom da eletrônica de alta temperatura é que não há mais nada lá”, diz ele.

A vitória do circuito de nitreto de gálio contra seus companheiros de carboneto de silício pode não durar muito, no entanto. O laboratório da Mantooth também fabrica chips de alta temperatura e está trabalhando para fazer com que o carboneto de silício atinja os níveis de calor que os chips de Chu têm. “Estaremos fabricando circuitos para tentar atacar as mesmas temperaturas com carboneto de silício”, diz Mantooth. Embora não esteja claro quem acabará por terminar, pelo menos uma coisa é certa: a competição ainda está esquentando.