Вчені з Університету науки та технологій імені короля Абдалли (KAUST) у Саудівській Аравії створили електронні пристрої, які продовжують бездоганно працювати як в умовах екстремального холоду, так і в умовах екстремальної спеки. У пресрелізі дослідники заявили, що їх пристрої, виготовлені з оксиду галію, можуть витримувати температури майже від абсолютного нуля до 500°C (932°F). Для порівняння, будь-який компонент пристрою, на якому ви читаєте цей текст, швидше за все, вийде з ладу до досягнення температури 200°C (392°F).
Ці пристрої можуть знайти широке застосування у космічній галузі, де різкі перепади температур є нормою.
Більшість традиційних електронних систем, від мікросхем до датчиків та схем, використовують кремнієві напівпровідники; деякі потужні та високочастотні пристрої використовують нітрид галію та карбід кремнію. Для того, щоб ці матеріали проводили електрику, електрони повинні володіти достатньою енергією, щоб переміститися в доступні зони, що проводять, де вони можуть переміщатися по матеріалу, генеруючи електричний струм.
При надзвичайно низьких температурах електрони втрачають теплову енергію, необхідну для руху, і виявляються у пастці — явище, відоме як «заморожування».
"На практиці більшість традиційних електронних пристроїв починають виходити з ладу при температурах нижче приблизно 100 К (−173 °C/343,4 °F)", — пояснив Вішал Кханделвал, колишній аспірант Сяохана Лі та керівник дослідницької групи.
Оскільки традиційна електроніка поводиться непередбачувано при кріогенних температурах, системи, що використовуються в таких середовищах, як глибокий космос та квантові обчислення, часто вимагають спеціалізованої електроніки та складних систем терморегулювання, що збільшує вартість, габарити та складність.
З іншого боку, у міру підвищення температури електрони одержують дедалі більше теплової енергії. У традиційних напівпровідниках ця надмірна енергія може неконтрольовано збуджувати велику кількість електронів у зону провідності, навіть коли пристрій повинен залишатися у «вимкненому» стані. Сплеск небажаних носіїв заряду, що виникає в результаті, призводить до витоку струму, нестабільного перемикання, перегріву і, в кінцевому підсумку, до виходу пристрою з ладу.
Для розв'язання цієї проблеми дослідники звернулися до напівпровідника із надширокою забороненою зоною - оксиду бета-галію (β-Ga2O3). Його надширока заборонена зона означає, що електрони набагато важче збуджувати в провідні стани, що робить напівпровідник набагато стійкішим до витоку струму, високотемпературної нестабільності до 500°C (932°F) та електричного пробою в екстремальних умовах експлуатації.
Для розв'язання проблеми екстремально низьких температур дослідники вдалися до легування.
Щоб подолати ефект заморожування носіїв заряду, який зазвичай призводить до пошкодження напівпровідників при кріогенних температурах, дослідники сильно легували оксид бета-галію атомами кремнію. У напівпровідникової інженерії легування — це процес навмисного запровадження атомів домішок — у цьому разі кремнію — у матеріал задля зміни його електричних властивостей і забезпечення вільних носіїв заряду.
Ввівши високу концентрацію легувальних домішок кремнію, команда створила умови, в яких електрони могли переміщатися, перескакуючи між близькими станами, пов'язаними з кремнієм, а не покладаючись виключно на теплову енергію для досягнення зони провідності. Це дозволило матеріалу зберігати електричну провідність навіть в екстремальних кріогенних умовах, де звичайні напівпровідники страждають від сильного замерзання носіїв заряду.
Потім дослідники створили два пристрої на основі бета-галію з додаванням кремнію: польовий транзистор з реберним затвором (FinFET), що має канали у формі ребер, що робить його більш міцним і стабільним, ніж звичайні польові транзистори, і логічний компонент, званий інвертором (також відомий як логічний елемент).
За словами дослідників, обидва пристрої надійно працювали при температурах до 2 К (-271,1 °C/-456,1 °F).
"При такій температурі практично відсутня теплова енергія, необхідна для переходу електронів у зону провідності оксиду галію. Натомість електрони перескакують через «домішкову зону», створену атомами кремнію, що дозволяє пристрою проводити струм», — пояснив Лі.
Хоча це не перші електронні пристрої, що працюють при наднизьких температурах, це перша демонстрація напівпровідника із надширокою забороненою зоною, що використовується в транзисторах та логічних інверторах, здатних працювати за таких низьких температур.
Згідно з пресрелізом, мета дослідників — створити портфель термостійких пристроїв з бета-оксиду галію, включаючи радіочастотні транзистори, фотодетектори та елементи пам'яті. "Ми продемонстрували основні будівельні блоки; тепер завдання полягає в тому, щоб масштабувати це до складних кріогенних чіпів і розширити межі продуктивності в цьому наднизькому режимі", - сказав Лі.
Якщо їм це вдасться, ці пристрої ідеально підійдуть для космічних зондів, супутників та інших технологій, які стикаються з екстремальними перепадами температур від абсолютного нуля до сотень градусів у космосі.
