Kyoto Üniversitesi'nde görevli bir araştırma ekibi, standart üretim yöntemleriyle uyumlu ve 600 santigrat derece gibi yüksek sıcaklıklarda çalışabilen bir silisyum karbür (SiC) transistör geliştirdi. Bu yeni transistör, özellikle yüksek sıcaklık gerektiren zorlu çalışma ortamları için umut verici bir adım olarak öne çıkıyor.
Bilim insanları, iyon implantasyonu adı verilen ve günümüzdeki ticari çip fabrikalarında yaygın olarak kullanılan bir yöntemi kullanarak bu başarıya ulaştı. Geleneksel tasarımlarda 400 derece gibi sıcaklıklarda 2 Volt'u aşan eşik gerilimi sapmalarını, bu yeni transistörde 0.1 Volt'un altına indirmeyi başardılar. Bu, daha hassas ve güvenilir bir performans anlamına geliyor.
Bu yenilikçi transistörün sırrı, alt kapılı (bottom-gate) bir tasarım ve çift kuyucuklu (double-well) bir izolasyon yapısının birleşiminde yatıyor. Alt kapılı tasarım, iyon implantasyonu sırasında istenenden daha derine nüfuz eden katkı maddelerini (dopants) yakalayarak, kanalın daha stabil olmasını sağlıyor. Geleneksel üst kapılı tasarımlarda görülen bu derinlemesine nüfuz etme etkisi, eşik geriliminde önemli sapmalara yol açıyordu.
Çift kuyucuklu izolasyon yapısı ise her bir cihazı, ısındıkça yalıtım özelliğini yitiren ve sızıntı akımına neden olan yarı-yalıtkan SiC alt tabakasına güvenmek yerine, bir pn eklemi içine izole ediyor. Kyoto'lu araştırmacıların bildirdiğine göre, bu yapıyla elde edilen sızıntı, SiC malzemesinin kendi fiziksel sınırlarına oldukça yakın bir seviyede bulunuyor ve cihaz seviyesinde daha fazla iyileştirme için pek alan bırakmıyor.
Karşılaştırma yapmak gerekirse, NASA'nın Glenn Araştırma Merkezi, özel bir üretim süreciyle geliştirilmiş SiC JFET entegre devrelerini 500 derece sıcaklıkta havada bir yıldan uzun süre ve simüle edilmiş Venüs yüzeyinde 460 derece sıcaklık ve 9.3 MPa basınç altında 60 gün boyunca (koruyucu önlem olmadan) başarıyla çalıştırmıştı. Kyoto Üniversitesi'ndeki araştırmacılar ise standart üretim süreçleriyle uyumlu olan iyon implantasyonu yöntemini kullanarak daha yüksek sıcaklık operasyonuna ulaştı. Bu durum, mevcut seri üretim altyapılarıyla kolayca entegre olabileceği anlamına geliyor.
Silisyum karbür (SiC), zaten güçlü cihazlar için bir wafer malzemesi olarak yaygınlaşıyor. Ancak yüksek sıcaklık mantığı, ayrı ve çok daha küçük bir niş alan oluşturuyor. Bu koşullar için araştırılan tek geniş bant aralıklı malzeme de SiC değil; son zamanlarda diğer bileşiklerde de 500 derece ve mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda güvenilir şekilde çalışan elektronik cihazlar geliştirildiğine dair çalışmalar yayınlandı.
Geliştirilen bu transistör, normalde açık (normally-on) bir yapıya sahip. Bu da, kapı voltajı uygulanmadığında bile iletimde olduğu ve bekleme gücü çektiği anlamına geliyor. Verimli mantıksal işlemler için normalde kapalı (normally-off) cihazlardan oluşan tamamlayıcı çiftlere ihtiyaç duyulur. Araştırma ekibi, zaten 350 derece sıcaklıkta tamamlayıcı SiC JFET mantık kapıları üzerinde çalışmalar yapmıştı. Bir sonraki adım, yeni yapıda normalde kapalı cihazlar tasarlayarak düşük güç tüketimli tamamlayıcı devreler oluşturmak olacak. Uzun süreli güvenilirlik ve ısıya dayanıklı paketleme gibi konular, bu teknolojinin gaz türbinleri veya Venüs gibi zorlu ortamlara ulaşabilmesi için araştırmacıların aşması gereken zorluklardan sadece birkaçı.
