Чип из нитрида галлия
Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали чип из нитрида галлия, способный работать при температуре 800 °C
Два полупроводника — карбид кремния и нитрид галлия — соперничают в (в буквальном смысле) жаркой борьбе за создание схем, способных работать при самых высоких температурах. Карбид кремния лидировал, работая при температуре 600 °C. Но нитрид галлия, обладающий уникальными свойствами, которые делают его более функциональным при высоких температурах, теперь превзошёл SiC.
Эта разработка может иметь решающее значение для будущих космических зондов, реактивных двигателей, фармацевтических процессов и множества других областей применения, где требуются схемы, способные работать в экстремальных условиях. е систем, о которых ещё никто даже не задумывался.
Способность карбида кремния и нитрида галлия работать в таких экстремальных условиях обусловлена их широкой запрещённой зоной. Это энергетический зазор между валентными зонами материалов, где электроны связаны с молекулой, и зоной проводимости, где они могут свободно участвовать в передаче электричества. При высоких температурах электроны в материалах с более узкой запрещённой зоной всегда достаточно возбуждены, чтобы достичь зоны проводимости. Это создаёт проблему для транзисторов, поскольку они не могут выключиться. Из-за широкой запрещённой зоны карбида кремния и нитрида галлия для возбуждения электронов в зоне проводимости требуется больше энергии, поэтому транзисторы не включаются самопроизвольно при высоких температурах.
Нитрид галлия также обладает уникальными свойствами по сравнению с карбидом кремния, что позволяет лучше работать в условиях высоких температур. Чип, разработанный исследователями, состоит из так называемых нитрид-галлиевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT). Структура GaN HEMT включает в себя плёнку из нитрида алюминия и галлия, расположенную поверх слоя нитрида галлия. Эта структура направляет электроны к границе раздела двух материалов.
Этот слой электронов, называемый двумерным электронным газом (2DEG), отличается высокой концентрацией и перемещается с небольшим сопротивлением. Это означает, что в 2DEG заряд перемещается гораздо быстрее, что позволяет транзистору быстрее реагировать на изменения напряжения и переключаться между включённым и выключенным состояниями. Более быстрое перемещение электронов также позволяет транзистору пропускать больший ток при заданном напряжении. Двумерный электронный газ сложнее получить из карбида кремния, поэтому его чипам сложнее достичь производительности устройств на основе нитрида галлия.
Чтобы заставить GaN HEMT работать при температуре 800 °C, пришлось внести некоторые изменения в его структуру, объясняют исследователи. Некоторые из этих мер были направлены на минимизацию тока утечки — заряда, который просачивается даже тогда, когда транзистор должен быть выключен. Они добились этого, используя тантал силицидный барьер для защиты компонентов устройства от воздействия окружающей среды и предотвращая соприкосновение внешнего слоя металла по бокам устройства с 2D-электронной газом, что привело бы к дальнейшему увеличению тока утечки и нестабильности транзистора.