Engagerende diamant til næste æra transistorer

Efterhånden som forbrugere rundt om i verden er blevet mere og mere afhængige af elektronik, transistoren, en halvlederkomponent central for driften af ​​disse enheder, er blevet et kritisk emne for videnskabelig forskning. I løbet af de sidste årtier har forskere og ingeniører har været i stand til både at skrumpe den gennemsnitlige transistorstørrelse og dramatisk reducere produktionsomkostningerne. Den nuværende generation af smartphones, for eksempel, er afhængig af chips, der hver har over 3,3 milliarder transistorer.

De fleste transistorer er siliciumbaserede, og siliciumteknologi har drevet computerrevolutionen. I nogle applikationer, imidlertid, silicium har betydelige begrænsninger. Disse omfatter brug i elektroniske apparater med høj effekt og i barske miljøer som motoren i en bil eller under kosmisk strålebombardement i rummet. Siliconenheder er tilbøjelige til at vakle og mislykkes i vanskelige miljøer.

Løsning af disse udfordringer, Jiangwei Liu, fra Japans National Institute for Materials Sciences, og hans kolleger beskriver nyt arbejde med at udvikle diamantbaserede transistorer i denne uge i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

"Silicon-baserede transistorer lider ofte af stort koblingstab under kraftoverførsel og mislykkes, når de udsættes for ekstremt høje temperaturer eller strålingsniveauer, "Liu sagde." I betragtning af vigtigheden af ​​at udvikle enheder, der bruger mindre strøm og fungerer under barske forhold, der har været stor interesse i det bredere videnskabelige samfund for at bestemme en måde at bygge transistorer på, der anvender fremstillede diamanter, som er et meget holdbart materiale. "

Og med netop denne interesse i tankerne, teamet udviklede en ny fremstillingsproces med diamanter, bringe "hærdet elektronik" tættere på realiseringen.

"Fremstillede diamanter har en række fysiske egenskaber, der gør dem meget interessante for forskere, der arbejder med transistorer, "sagde Yasuo Koide, en professor og seniorforsker ved National Institute for Materials Science, der leder forskergruppen. "Det er ikke kun fysisk hårde materialer, de leder også varme godt, hvilket betyder, at de kan klare høje strømniveauer og fungere ved varmere temperaturer. Ud over, de kan udholde større spændinger end eksisterende halvledermaterialer, før de bryder sammen. "

Forskningsgruppen fokuserede deres arbejde på enhancement-mode metaloxid-halvleder felt-effekt transistorer (MOSFET'er), en type transistor, der almindeligvis bruges inden for elektronik. Et af de karakteristiske træk ved transistorer er inklusion af en isoleret terminal kaldet en "gate", hvis indgangsspænding bestemmer, om transistoren vil lede elektricitet eller ej.

"En af de udviklinger, der gør vores fremstillingsproces innovativ, er, at vi deponerede yttriumoxid (Y2O3) isolator direkte på overfladen af ​​diamanten [for at danne porten], "sagde Liu." Vi tilføjede yttriumoxidet til diamanten med en teknik kendt som elektronstråledampning, som indebærer at bruge en elektronstråle til at transformere yttriumoxidmolekyler fra fast tilstand til gasform, så de kan fås til at dække en overflade og størkne på den. "

Ifølge Liu, yttriumoxid har mange ønskelige kvaliteter, herunder høj termisk stabilitet, stærk affinitet til ilt og energi med bred båndgab, hvilket bidrager til dets evner som isolator.

"En anden nyskabelse var, at yttriumoxidet blev afsat som et enkelt lag, "Sagde Liu." I vores tidligere arbejde, vi har skabt oxid-to-lag, men et enkelt lag er tiltalende, fordi det er mindre vanskeligt og billigere at fremstille. "

Liu og hans kolleger håber at kunne forfine deres forståelse af elektronbevægelse gennem diamanttransistoren med fremtidige forskningsprojekter.

"Vi arbejder med en type fremstillet diamant, der har et brintlag på overfladen. En af de vigtige udfordringer fremover vil være at forstå mekanismen for elektronledning gennem dette kulstof-brintlag, "sagde Liu.

"Ultimativt, vores teams mål er at bygge integrerede kredsløb med diamanter, "Sagde Koide." Med dette i tankerne, vi håber, at vores arbejde kan understøtte udviklingen af ​​energieffektive enheder, der kan fungere under ekstreme varme- eller strålingsforhold. "