Обычные полупроводники едва выдерживают нагрев до полутора сотен градусов, тогда как для целого спектра технологических процессов необходимы датчики, устойчивые к более высоким температурам. Такие датчики и контроллеры нужны для реактивных двигателей и радаров воздушных судов, движущихся со скоростями, кратно превышающими скорость звука. Всё это породило другие материалы, среди которых выделяется нитрид галлия.
Источник изображения: Pennsylvania State University
Чуть раньше исследователи предложили жароустойчивые транзисторы на карбиде кремния. Эксперименты показали, что такие транзисторы могут сохранять работу до температуры нагрева 600 °C. Новая работа, проделанная учёными из Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University), опирается на другой материал — на нитрид галлия, который способен выдержать ещё больший нагрев — до 800 °C, когда начинает течь обычная поваренная соль.
Подобное свойство открывает новые сферы применения электроники, о которых сегодня люди могут даже не догадываться. В более прозаических, но важных областях чипы из нитрида галлия могут использоваться для мониторинга состояния газовых турбин и энергоёмких производственных процессов на химических и нефтеперерабатывающих заводах. Наконец, особое значение имеет космическое применение высокотемпературной электроники: например, температура на поверхности Венеры достигает 470 °C. Для бортовой электроники венерианского зонда требуются совершенно иные транзисторы, чем те, что производятся из обычных полупроводников.
Способность карбида кремния и нитрида галлия работать в таких экстремальных условиях обусловлена их широкой запрещённой зоной — энергетическим зазором между валентными зонами материалов, который, в частности, определяет их способность проводить ток. Обычный транзистор не сможет перейти в закрытое состояние при значительном нагреве: электронам требуется относительно мало энергии, чтобы преодолеть узкую запрещённую зону. Карбиду кремния и нитриду галлия, напротив, для возбуждения электронов в зону проводимости требуется значительно больше энергии, поэтому транзисторы из этих материалов не включаются самопроизвольно при высоких температурах. В них отсутствует тепловой пробой.
Учёные из Университета штата Пенсильвания создали экспериментальный нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT). Его структура включает плёнку из нитрида алюминия и галлия, расположенную поверх слоя нитрида галлия. Эта конфигурация направляет электроны к границе раздела двух материалов, где образуется двумерный электронный газ (2DEG) — отличительная особенность транзисторов HEMT. Этот газ обладает высокой подвижностью электронов и низким сопротивлением, что, помимо прочего, позволяет значительно быстрее переключаться между состояниями «открыт»/«закрыт». В этом отношении нитрид галлия превосходит карбид кремния, у которого с образованием облака 2DEG дела обстоят не так хорошо.
Экспериментальный транзистор HEMT из нитрида галлия при температуре 800 °C оставался работоспособным в течение часа. За это время он продемонстрировал хорошие рабочие характеристики, включая малые токи утечки (этот момент пришлось прорабатывать отдельно, чтобы надёжно изолировать рабочие слои от облака подвижных электронов).
Что касается планов на будущее, то следующие шаги будут направлены на масштабирование устройства с целью повышения его производительности. Чип может быть готов к коммерциализации уже в ближайшее время, поскольку на рынке крайне мало поставщиков подобных решений, а спрос на них уже сформировался. Это станет катализатором быстрого появления высокотемпературной электроники в промышленном сегменте.
