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高温トランジスタは新しいレコードにヒットしました

この記事は、IEEE Xploreと協力して、排他的なIEEEジャーナルウォッチシリーズの一部です。2つの半導体（炭化物のシリコンと窒化ガリウム）は、（文字通り）激しい競争のライバルであり、最も高い温度でサーキットを実行できるようにします。シリコン炭化物チップがリードを奪い、600°Cで動作しました。しかし、窒化ガリウムは、高温でより機能的にするユニークな機能を備えており、現在はSICを上回っています。電気工学の教授であるRongming Chuが率いるペンシルバニア州立大学の研究者は、800°Cで動作できる窒化ガリウムチップを設計しました。 この開発は、将来の宇宙プローブ、ジェットエンジン、医薬品プロセス、および極端な条件のために回路を必要とする他の多くのアプリケーションにとって重要である可能性があります。炭化シリコンの高温チップにより、科学者は以前にはできなかった場所にセンサーを置くことができました、とアーカンソー大学の電気工学とコンピューターサイエンスの教授であるアラン・マントゥースは言います。彼は、窒化ガリウムチップは、天然ガスタービンの健康、化学プラントや製油所のエネルギー集約的な製造プロセス、および誰もまだ考えていないシステムを監視する際に同じことをすることができると説明しています。「この種の電子機器を、シリコンが行くことさえ想像できない場所に置くことができます」と彼は言います。炭化シリコンと窒化ガリウムのどちらも、このような極端な条件下で実行される可能性があります。これらは、電子が分子に結合している材料の原子価帯域と、電気の流れに自由に寄与できる伝導帯との間のエネルギーギャップです。高温では、狭いバンドギャップを持つ材料の電子は、伝導帯に到達するのに十分なほど励起されます。これは、トランジスタがスイッチを切ることができないため、トランジスタに問題を提示します。炭化シリコンと窒化ガリウムの広いバンドギャップは、伝導帯に電子を励起するためにより多くのエネルギーを必要とし、トランジスタは意図せずに高温環境で常にオンになっていません。窒化ガリウムには、高熱条件下でチップがより良くパフォーマンスを可能にする炭化シリコンと比較して、ユニークな機能もあります。 ChuのグループのICは、今月説明しました IEEE電子デバイスレター、窒化ガリウム高電子移動性トランジスタ（HEMT）と呼ばれるもので構成されています。 Gan Hemtsの構造には、窒化ガリウムの層の上に窒化アルミニウム膜が含まれます。構造は、2つの材料間の界面に電子を引きます。 この電子の層 - 2次元電子ガス（2DEG）をコールした - は非常に濃縮されており、抵抗はほとんどありません。これは、2DEGで電荷がはるかに速く移動することを意味し、トランジスタが電圧の変化に応答し、オン状態とオフ状態をより迅速に切り替えることができるようにします。また、電子の動きが高くなると、トランジスタは特定の電圧に応じてより電流を運ぶことができます。 2DEGは、炭化シリコンを使用して生産するのが難しく、チップが窒化ガリウムデバイスの性能に合うことをより困難にしています。Chuの大学院生であるYixin Xiong氏は、Gan Hemtを800°Cで動作させるために操作するために、その構造にいくつかの変更を加えました。これらの手段のいくつかは、漏れ電流を最小限に抑えることに関係しており、トランジスタがオフになっていると思われている場合でも忍び寄る料金がかかります。彼らは、環境からデバイスのコンポーネントを保護し、デバイスの側面の金属の外層が2 Degに触れるのを防ぐことで、タンタルムシルシドの障壁を使用してこれを行いました。 ペンシルベニア州のエンジニアは、800°Cで高電子移動度トランジスタをテストしました。ロングチュー/ペンシルバニア州立大学Chuは、チップの研究と製造プロセスは、彼が予想していたよりもはるかに速くなったと言います。チームは、実験が機能すると確信していたと彼は言います。しかし、それは「私の最高の推測よりも速い」と彼は言います。それが提示する顕著な利点にもかかわらず、Mantoothは炭化シリコンと比較して窒化ガリウムの長期的な信頼性を懸念しています。 「500以上の極端な温度で人々がGANに関心を持っていることの1つは、マイクロクレクトまたはマイクロクラッキングです。 [which is] ガンとは、必ずしも炭化シリコンで見ているものではないので、信頼性の問題があるかもしれません」と彼は説明します。Chuは、長期的な信頼性は改善の領域であることに同意し、「私たちにできるいくつかの技術的な改善があります。1つは高温でより信頼性を高めることです。窒化ガリウム対炭化シリコンXiong氏によると、デバイスを改善するためにまだやるべきことがたくさんあります。彼は、漏れ電流を最小限に抑える以外に、タンタルムシルシドバリアの1つの機能は、デバイス内のチタンが潜在的にアルガンフィルムと反応するのを防ぐことであり、2℃を破壊する可能性があると説明しています。最終的に、Xiongはデバイスからチタンを完全に削除したいと考えています。 「究極の目標は、チタンに頼らないことだと思います」と彼は結論付けています。潜在的な長寿の課題にもかかわらず、グループのチップは、金星の表面などの電子機器が動作できる場所の限界を押し上げています。 「800℃で1時間保持できれば、600または700℃でそれを保持することを意味します」とChu氏は説明します。金星の周囲温度は470℃であるため、Ganの新しい温度記録は、Venus Probeの電子機器に役立つ可能性があります。800の図は、過敏な航空機や武器にとっても重要です、とMantoothは説明しています。それらの極端な速度は、表面を1,500℃以上に加熱できる摩擦を生成します。 「多くの人が気付いていないことの1つは、マッハ2またはマッハ3で飛んでいるとき、空気摩擦が翼の最先端に極端な環境を作り出すことです...そして、それがあなたのレーダーの位置にある場所です。それが他の加工装置の場所です。これらのアプリケーションは、米国国防総省が極端な温度のために電子機器に興味を持っている理由です」とMantoothは言います。 将来の計画に関する限り、Chuは次のステップは「デバイスをスケーリングしてより速く実行する」ことだと言います。彼はまた、このような極端な温度で動作できるチップ用のサプライヤーが非常に少ないため、チップはそれほど遠くない商業化の準備ができている可能性があると考えています。 「それはかなり準備ができていると思います。いくつかの改善が必要ですが、高温電子機器の良いところは他に何もないことです」と彼は言います。しかし、ガリウム炭化物の仲間に対するガリウム回路の勝利は、長く続かないかもしれません。 Mantoothのラボはまた、高温チップを製造しており、Chuのチップスが持つ熱レベルに到達するために炭化シリコンを獲得することに取り組んでいます。 「私たちは、炭化シリコンで同じ温度を攻撃しようとするために回路を製造します」とMantooth氏は言います。最終的に誰がトップで終わるかは不明ですが、少なくとも1つのことが確かです。競争はまだ熱くなっています。サイトの記事からウェブ上の関連記事 #高温トランジスタは新しいレコードにヒットしました