سجلت الترانزستورات ذات درجة الحرارة العالية رقما قياسيا جديدا

هذه المقالة جزء من سلسلة Watch الحصرية IEEE Journal بالشراكة مع IEEE Xplore.

هناك اثنان من أشباه الموصلات – كربيد سيلكون ونيتريد غاليوم – هما المنافسون في منافسة (حرفيًا تمامًا) مستحقة لجعل الدوائر قادرة على الأداء في أعلى درجات الحرارة. وقد اتخذت رقائق كربيد السيليكون زمام المبادرة ، التي تعمل عند 600 درجة مئوية ، لكن نيتريد الغاليوم ، الذي يمتلك ميزات فريدة تجعلها أكثر وظيفية في درجات حرارة عالية ، تجاوزت الآن SIC. صمم الباحثون في جامعة ولاية بنسلفانيا بقيادة رونغمينج تشو ، أستاذ الهندسة الكهربائية ، رقاقة نيتريد غاليوم قادرة على العمل عند 800 درجة مئوية – بما يكفي لإذابة ملح الطاولة.

قد يكون التطوير أمرًا بالغ الأهمية لتحقيقات الفضاء المستقبلية ، ومحركات النفاثة ، والعمليات الصيدلانية ، ومجموعة من التطبيقات الأخرى التي تحتاج إلى دوائر للظروف القصوى. يقول آلان مانتوث ، الأستاذ المتميز للهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في جامعة أركنساس ، الذي لم يشارك في نتيجة نيترايد جديدة في النتيجة الجديدة: ويوضح أن رقاقة نيتريد غاليوم يمكن أن تفعل الشيء نفسه في مراقبة صحة التوربينات الغازات الطبيعية ، وعمليات التصنيع المكثفة للطاقة في المصانع الكيميائية والمصافي ، والأنظمة التي لم يفكر بها أحد حتى الآن.

يقول: “يمكننا وضع هذا النوع من الإلكترونيات في الأماكن التي لا يمكن حتى أن تتخيلها”.

كل من كربيد السيليكون وإمكانات نيتريد غاليوم في ظل هذه الظروف القاسية يأتي من فجوات النطاق العريضة. هذه هي الفجوات في الطاقة بين نطاقات التكافؤ في المواد ، حيث ترتبط الإلكترونات بالجزيء ، ونطاق التوصيل ، حيث تكون حرة في المساهمة في تدفق الكهرباء. في درجات حرارة عالية ، تكون الإلكترونات الموجودة في مواد ذات فجوة نطاقات أضيق متحمسة دائمًا بما يكفي للوصول إلى نطاق التوصيل. هذا يمثل مشكلة بالنسبة للترانزستورات ، لأنها لن تتمكن بعد ذلك من الإغلاق. تتطلب خلفات النطاقات الواسعة من كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم مزيدًا من الطاقة لإثارة الإلكترونات إلى نطاق التوصيل ، بحيث لا يتم تشغيل الترانزستورات دائمًا في بيئات درجات الحرارة العالية.

يحتوي Gallium Nitride أيضًا على ميزات فريدة من نوعها مقارنةً بكربيد السيليكون الذي يسمح للرقائق بأداء أفضل في ظل ظروف حرارة عالية. IC لمجموعة Chu ، التي وصفوها هذا الشهر في رسائل جهاز الإلكترون IEEE، يتكون من ما يسمى ترانزستورات التنقل الإلكترون عالية النيتريد (HEMT). يتضمن بنية Gan Hemts فيلمًا من نيتريد الغاليوم الألومنيوم أعلى طبقة من نيتريد غاليوم. يرسم الهيكل الإلكترونات إلى الواجهة بين المادتين.

هذه الطبقة من الإلكترونات-تسمى غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG)-مركزة للغاية وتتحرك مع القليل من المقاومة. هذا يعني أن الشحن يتحرك بشكل أسرع بكثير في 2DEG ، مما يؤدي إلى أن يكون الترانزستور قادرًا على الاستجابة للتغيرات في الجهد والتبديل بين الدول الخارجة وخارجها. تتيح حركة الإلكترون الأسرع أيضًا للترانزستور أن يحمل المزيد من التيار استجابة لجهد معين. من الصعب إنتاج 2DEG باستخدام كربيد السيليكون ، مما يجعل من الصعب على رقائقها مطابقة أداء أجهزة نيتريد غاليوم.

يوضح Yixin Xiong ، طالب الدراسات العليا في Chu ، لإقناع Gan Hemt بالعمل عند 800 درجة مئوية. تضمنت بعض هذه التدابير تقليل تيار التسرب إلى الحد الأدنى ، وتتسلل إلى حد ما حتى عندما يكون من المفترض أن يكون الترانزستور إيقاف تشغيله. لقد فعلوا ذلك باستخدام حاجز سيلبي تانتالوم لحماية مكونات الجهاز من البيئة ومن خلال منع الطبقة الخارجية للمعدن على جانبي الجهاز من لمس 2DEG ، مما قد يزيد من تيار التسرب وعدم الاستقرار في الترانزستور.

اختبر مهندسو ولاية بنسلفانيا الترانزستورات عالية التنقل في الإلكترون عند 800 درجة مئوية.جامعة رونغينغ تشو/ولاية بنسلفانيا

يقول تشو إن عملية البحث والتصنيع للرقاقة كانت أسرع بكثير مما توقع. وكان الفريق واثقا من أن التجربة ستعمل ، كما يقول. لكنه كان “أسرع من أفضل تخميني” ، كما يقول.

على الرغم من الفوائد الملحوظة التي تقدمها ، فإن Mantooth تشعر بالقلق إزاء موثوقية Nitride طويلة الأجل مقارنةً بالكربيد السيليكون. “أحد الأشياء التي كان الناس قلقون بشأنها مع GAN في تلك درجات الحرارة المتطرفة ، 500 ℃ وما فوق ، هو microfractures أو microcracking [which is] ويوضح قائلاً: “ليس شيئًا نراه بالضرورة في كربيد السيليكون ، لذلك قد تكون هناك مشاكل موثوقية” مع GAN.

يوافق تشو على أن الموثوقية طويلة الأجل هي مجال للتحسين ، قائلاً “هناك بعض التحسينات الفنية التي يمكننا إجراؤها: واحد يجعلها أكثر موثوقية عند درجة حرارة عالية. في الوقت الحالي ، أعتقد أننا يمكن أن نحتفظ بسعر 800 ℃ على الأرجح لمدة ساعة واحدة.”

غاليوم نيتريد مقابل كربيد السيليكون

يقول شيونج ، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لتحسين الجهاز. ويوضح أنه بخلاف تقليل تيار التسرب ، فإن إحدى وظائف حاجز سيلبي تانتالوم هي منع التيتانيوم في الجهاز من رد فعل يحتمل أن يكون مع فيلم Algan ، والذي يمكن أن يدمر 2Deg. في النهاية ، يريد Xiong إزالة التيتانيوم من الجهاز تمامًا. “الهدف النهائي ، كما أقول ، هو عدم الاعتماد على التيتانيوم” ، يخلص.

على الرغم من تحديات طول العمر المحتملة ، فإن شريحة المجموعة تدفع حدود المكان الذي يمكن أن تعمل فيه الإلكترونيات ، كما هو الحال على سطح فينوس. “إذا كان بإمكانك الاحتفاظ بها لمدة ساعة واحدة عند 800 ℃ ، فهذا يعني أنه في 600 أو 700 ℃ ، يمكنك الاحتفاظ به لفترة أطول بكثير” ، يوضح تشو. درجة الحرارة المحيطة فينوس هي 470 ℃ ، لذلك يمكن أن يكون سجل GAN الجديد لدرجة الحرارة مفيدًا للإلكترونيات في مسبار فينوس.

يشرح Mantooth أن الرقم 800 ℃ مهم أيضًا للطائرات والأسلحة الفائق الصوت. تولد سرعاتها القصوى احتكاكًا يمكن أن تسخن السطح إلى 1500 ℃ أو أكثر. “أحد الأشياء التي لا يدركها الكثير من الناس هي أنه عندما تطير في Mach 2 ، أو Mach 3 ، يخلق الاحتكاك الجوي بيئة متطرفة على الحافة الأمامية للجناح … وتخمين ما هو المكان الذي يقع فيه رادارك. هذا هو المكان الذي توجد فيه معدات المعالجة الأخرى.

فيما يتعلق بخطط المستقبل ، يقول تشو إن الخطوات التالية هي “توسيع نطاق الجهاز لجعله يعمل بشكل أسرع”. ويعتقد أيضًا أن الشريحة قد تكون جاهزة للتسويق ليست بعيدة جدًا عن الخط ، لأن هناك عدد قليل جدًا من الموردين للرقائق القادرين على العمل في مثل هذه الدرجات الحرارة القصوى. يقول: “أعتقد أنه جاهز تمامًا. إنه يتطلب بعض التحسينات ، لكن الشيء الجميل في الإلكترونيات عالية الحرارة هو عدم وجود شيء آخر هناك”.

ومع ذلك ، قد لا يدوم فترة انتصار دائرة نيتريد غاليوم على رفاقها كربيد السيليكون لفترة طويلة. يقوم مختبر Mantooth أيضًا بتصنيع رقائق درجات الحرارة العالية ، ويعمل على الحصول على كربيد السيليكون لضرب مستويات الحرارة التي تمتلكها رقائق Chu. يقول مانتوث: “سنقوم بتصنيع الدوائر لمحاولة مهاجمة نفس درجات الحرارة باستخدام كربيد السيليكون”. على الرغم من أنه من غير الواضح من الذي سينتهي في النهاية في المقدمة ، إلا أن هناك شيئًا واحدًا على الأقل مؤكدًا: لا تزال المنافسة تسخن.