Японские ученые создали SiC-транзистор для работы при 600 °C — он совместим с массовым производством

Исследователи Киотского университета (Kyoto University) разработали полевой транзистор на основе карбида кремния (SiC), способный стабильно работать при температуре до 600 °C (873 К). Главным достижением стало не только установление нового температурного рекорда, но и доказательство того, что такое устройство можно изготовить с помощью стандартной ионной имплантации — технологии легирования, широко используемой на современных полупроводниковых производствах. Результаты работы опубликованы в журнале APL Electronic Devices.

Проблема экстремальных температур

Обычная кремниевая электроника начинает испытывать серьезные проблемы уже при температурах выше 250 °C. Карбид кремния гораздо лучше переносит экстремальный нагрев, однако создание стабильных логических схем на его основе до сих пор оставалось сложной задачей. Ранее NASA демонстрировала интегральные схемы на SiC, работающие при 500 °C, но для их производства требовался специальный уникальный техпроцесс. Японские ученые добились сопоставимых результатов на более распространенной технологии ионной имплантации, что принципиально упрощает путь к массовому выпуску.

Архитектура с нижним затвором и двойной изоляцией

Разработанный транзистор относится к типу JFET (полевой транзистор с управляющим p–n-переходом). Ключевая особенность конструкции — расположение затвора под каналом и двойная изолирующая структура. Такая архитектура решила одну из главных проблем ионной имплантации — эффект каналирования, при котором часть примесей проникает глубже расчетного уровня по каналам кристаллической решетки, создавая «хвост каналирования» и меняя электрические характеристики устройства.

В предыдущих конструкциях это приводило к ошибке порогового напряжения более чем на 2 В. Новый транзистор при температуре 400 °C сократил расхождение между расчетным и измеренным значением порогового напряжения до менее чем 0,1 В.

Борьба с токами утечки

Вторая серьезная проблема SiC-транзисторов была связана с током утечки, который резко возрастает при нагреве. При сильном нагреве полуизолирующая подложка из карбида кремния постепенно теряет свои изоляционные свойства. Исследователи решили эту задачу за счет дополнительной электрической изоляции транзистора от подложки, что при температуре работы 200 °C на порядок снизило токи утечки. Однако авторы работы отмечают, что дальнейшее снижение токов утечки ограничено фундаментальными свойствами самого материала — карбида кремния.

Текущие ограничения и следующие шаги

Созданный транзистор относится к типу normally-on (нормально включенный): без управляющего напряжения он остается открытым и постоянно потребляет энергию. Это делает невозможным построение энергоэффективных комплементарных логических схем. Следующим этапом ученым предстоит разработать normally-off (нормально выключенные) версии транзисторов и на их основе создать полноценные логические элементы.

Кроме того, исследователям предстоит подтвердить долговременную надежность технологии и разработать корпуса и межсоединения, способные выдерживать те же экстремальные температуры. До создания полноценного процессора, работающего при 600 °C, еще далеко.

Перспективы применения

Подобные микросхемы могут оказаться востребованы там, где обычная электроника требует громоздкого охлаждения или вообще не способна работать. Среди возможных применений называются:

• газовые турбины и авиационные двигатели;
• ракетные двигатели и промышленное оборудование;
• космические аппараты, в том числе автоматические станции для Венеры, где температура поверхности достигает 460 °C;
• датчики мониторинга внутренних процессов в реактивных двигателях.

Обещание выпускать уникальные высокотемпературные чипы на обычных фабриках без глубокой модернизации производства открывает путь к созданию долгоживущих венерианских роверов и зондов, работающих без массивных систем терморегуляции.