Новое устройство в перспективе позволит внедрить электронные системы в местах, где экстремальные температуры делают обычные кремниевые компоненты ненадёжными. К таким областям относятся исследование дальнего космоса, геотермальное бурение, а также системы управления внутри авиационных двигателей.
Команда заявляет, что их разработка решает две главные проблемы, ограничивавшие использование карбидокремниевых транзисторов при очень высоких температурах: сложность контроля переключения транзистора и нежелательную утечку тока при повышении температуры.
Карбид кремния давно рассматривается как перспективный материал для электроники, работающей в суровых условиях. Он способен выдерживать сильные электрические поля и высокие температуры, что делает его привлекательным для устройств высокой мощности и применения в экстремальных средах. Ранее исследователям уже удавалось демонстрировать работу схем на основе карбида кремния при температурах выше 500°C, однако превращение этих лабораторных экспериментов в надёжную и практичную электронику оставалось сложной задачей.
Команда Киотского университета применила полевые транзисторы с p-n переходом (JFET). В более ранних версиях использовалась традиционная конструкция, при которой затвор размещался над каналом, через который протекает электрический ток. Однако такое расположение затрудняло точный контроль порогового напряжения транзистора – напряжения, при котором он включается. Кроме того, при высоких температурах в устройствах возникали нежелательные токи утечки через подложку.
Чтобы решить первую проблему, исследователи переместили затвор под канал, создав так называемую структуру с нижним затвором. Такая конструкция позволила уменьшить влияние эффекта ионного каналирования, при котором имплантированные атомы могут проникать глубже в карбид кремния, чем ожидалось. В результате учёные смогли контролировать пороговое напряжение транзистора гораздо точнее. При температуре 400°C разница между заданным и измеренным пороговым напряжением была сокращена до менее чем 0,1 вольта.
Для решения проблемы утечки тока команда добавила в устройство структуру с двойной лункой. Вместо использования электрического сопротивления подложки для изоляции частей транзистора новая конструкция применила p-n переход, который предотвратил нежелательное прохождение тока через устройство при повышении температуры.
Улучшенный транзистор продолжал нормально работать при температуре 600°C (873 К). Он также сохранял соотношение включения-выключения выше 1 000 при этой температуре, что подтверждает его способность чётко переключаться между проводящим и непроводящим состояниями.
«Это исследование показывает, что SiC уже является зрелой технологией силовой электроники, и демонстрирует потенциал новой структуры с нижним затвором для создания надёжных интегральных схем на основе карбида кремния для экстремальных температур», – заявили исследователи.
По словам учёных, полученные результаты могут помочь в развитии интегральных схем на основе карбида кремния, предназначенных для экстремальных условий. Такая электроника в перспективе позволит снизить потребность в тяжёлых системах охлаждения и тепловой защиты в приложениях, работающих в условиях интенсивного нагрева.
