Всё дело в волшебных пузырьках! В Японии создан алмазный транзистор.

Источник.

Команда исследователей из Национального института материаловедения (NIMS) в Японии, разработала полевой транзистор (FET) по новой технологии. Её изюминкой стало использование алмаза с высокой подвижностью так называемых дырок – этаких условных аномалий строения атомов с заполненной валентной зоной, – что позволяет снизить потери проводимости и повысить скорость работы устройства.

Тут стоит немного прояснить ситуацию. Можно сказать, что такая дырка представляет собой подобие пустоты там, где по идее в атоме должен бы располагаться электрон, благодаря чему эта пустота словно бы имеет заряд, количественно равный потеряшке-электрону, но противоположный ему по знаку. Дырки могут появляться как вследствие возбуждения электронов и их переходов в результате нагрева, облучения и прочих воздействий, так и в результате направленных химических операций (легирования).

Вообще, тот факт, что алмаз является превосходным полупроводником, известен довольно давно. Основное его преимущество зиждется на ширине энергетического зазора между потолком так называемой валентной зоны, где электроны не могут покидать свои места, и дном зоны проводимости, в которой они обладают куда большей свободой. Этот «зазор свободы» называется запрещённой зоной, и у алмаза её ширина больше, чем у используемых уже карбида кремния и нитрида галлия. Это позволяет рассматривать потенциалы алмаза в сфере создания силовой электроники, энергоэффективных и высокоскоростных устройств связи, способных работать при больших напряжениях, температурах и частотах с малыми потерями энергии.

Однако целым рядом исследований по созданию FET с использованием алмазов, проведённых ранее, выявлено довольно серьёзное препятствие, стоящее перед целью этих работ. Тогда была использована, как сказали бы ювелиры, «водородная огранка» алмаза. На деле же это подразумевает водородные концевые группы – ковалентную связь поверхностных атомов углерода с атомами водорода. Так вот оказалось, что подвижность дырок новых алмазно-интегрированных транзисторов была мала просто катастрофически. Для сравнения: до интеграции этот показатель в алмазах был выше на 90, а местами и на 99%. Этот провал свёл на нет всё превосходство широкозонных полупроводниковых алмазных свойств.

Итак, с одной стороны, широкозонные p-канальные транзисторы работают хуже по сравнению с n-канальными, но с другой – алмаз, являясь потенциальным материалом p-типа для таких устройств, просто очень широкозонный материал. Тем не менее, алмаз с концевыми водородными группами затрудняет создание комплементарных схем, а секрет преодоления возникшей преграды воплотился в некоторой иронии судьбы: эксперименты показали, что предыдущие представления учёных оказались не вполне верны. Говоря техническим языком, легирование поверхностным переносом, которое, как всегда считалось, необходимо для создания проводимости, на самом деле ограничивает производительность, поскольку требует ионизированных поверхностных акцепторов, которые могут привести к рассеянию дырок.

Теперь же исследователи NIMS применили новую технологию изготовления, благодаря которой разработка высокопроизводительного полевого транзистора всё-таки удалась. С одной стороны, вместо традиционно используемых оксидов учёные решили на роль изолятора затвора взять гексагональный нитрид бора (h-BN), а с другой – изменённый процесс производства FET оградил поверхность алмаза с концевыми водородными группами от воздействия воздуха. Как результат – подвижность дырок в этом полевом транзисторе пятикратно превысила показатели полевых транзисторов с оксидными изоляторами затвора. И это при том, что, как мы уже говорили, алмаз сам по себе обеспечивает гораздо более высокую плотность этих активных пустот.

Говоря о преимуществах данного изобретения японских учёных, стоит помнить, что транзистор стал чуть ли не фундаментом нашей цифровой цивилизации. Полевые же транзисторы с высокой подвижностью дырок позволяют нам шагнуть ещё чуть дальше. Они способны работать с низким электрическим сопротивлением, уменьшая потери проводимости, а значит наши гаджеты сумеют дольше держать заряд, чуть быстрее работать или стать чуть меньше… FET могут также использоваться для разработки более высокоскоростных и миниатюрных электронных устройств, необходимых для медицины. 

Кроме того, полевая новинка продемонстрировала так называемую нормально выключенную работу: в транзисторе исчезает и электрический ток, как только подача напряжения на его затвор прекращается. Так что сюда можно приписать ещё один немаловажный плюс: устройства на таких элементах будут более безопасными. И если в случае мобильных девайсов это вопрос индивидуальной безопасности, то в силовой электронике – это уже более глобальный, инфраструктурный аспект.

Подытоживая, исследователи признаются, что ключом к успеху группы в разработке высокоэффективных полевых транзисторов стала новая технология изготовления, которая позволила им удалить акцепторы электронов с поверхности алмаза, где углерод связан с водородом. Это довольно новаторское решение, ведь в обычной практике считается, что эти акцепторы необходимы для создания электропроводности в алмазах с водородными концевыми группами.

Столь непредвиденные результаты научных трудов можно назвать новой вехой в разработке эффективных алмазных транзисторов для высокопроизводительной силовой электроники и устройств связи. Однако команда считает, что можно найти способы ещё улучшить физические свойства алмазного полевого транзистора, и надеется сделать его более подходящим для практического использования.

АРМК, по материалам NIMS.