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두 개의 반도체 –실리콘 카바이드 및 질화 갈륨– (문자 그대로) 격렬한 경쟁의 라이벌은 회로를 최고 온도에서 수행 할 수 있도록합니다. 실리콘 카바이드 칩은 600 ° C에서 작동하는 리드를 취했지만 고온에서보다 기능적인 독특한 특징을 가진 질화 갈륨은 이제 SIC를 능가했습니다. Pennsylvania State University의 연구원들이 이끄는 연구원 랑하는 추전기 공학 교수는 800 ° C에서 작동합니다 – 테이블 소금을 녹일 정도로 충분합니다.
개발은 미래의 우주 프로브, 제트 엔진, 제약 공정 및 극한 조건에 대한 회로가 필요한 다양한 응용 프로그램에 중요 할 수 있습니다. 실리콘 카바이드 고온 칩은 과학자들이 이전에 할 수 없었던 곳에 센서를 넣을 수있게했다고 말했다. Alan Mantooth아칸소 대학교 (University of Arkansas)의 전기 공학 및 컴퓨터 과학의 저명한 교수는 새로운 갈륨 질화물 결과에 관여하지 않았습니다. 그는 질화 질화물 칩이 천연 가스 터빈의 건강, 화학 플랜트 및 정유소의 에너지 집약적 제조 공정을 모니터링하는 데 동일하게 수행 할 수 있다고 설명했다.
“우리는 이런 종류의 전자 제품을 실리콘을 상상조차 할 수없는 곳에 넣을 수 있습니다.”라고 그는 말합니다.
이러한 극한 조건 하에서 실리콘 카바이드와 질화 질화물의 잠재력은 모두 넓은 밴드 갭에서 비롯됩니다. 이들은 전자가 분자에 결합 된 재료의 원자가 밴드와 전기 밴드 사이의 에너지 간격이며 전기 흐름에 자유롭게 기여할 수 있습니다. 고온에서, 더 좁은 밴드 갭이있는 재료의 전자는 항상 전도 대역에 도달 할만 큼 흥분됩니다. 트랜지스터에 문제가 발생합니다. 그런 다음 전환 할 수 없기 때문에 트랜지스터에게 문제가 발생합니다. 실리콘 카바이드 및 질화 갈륨의 넓은 밴드 갭은 전자를 전도 밴드로 자극하기 위해 더 많은 에너지가 필요하므로 트랜지스터가 고온 환경에서 항상 의도하지 않게 전환되지 않도록합니다.
질화 갈륨은 또한 실리콘 탄화물에 비해 독특한 특징을 가지고 있으며, 이는 높은 열 조건에서 칩이 더 잘 수행 될 수 있습니다. 그들은 이번 달에 설명한 Chu의 그룹의 IC IEEE 전자 장치 문자질화 갈륨으로 구성됩니다 높은 전자 이동성 트랜지스터 (HEMT). 간 헴의 구조는 질화 갈륨 층 위에 알루미늄 갈륨 질화물 필름을 포함한다. 구조는 두 재료 사이의 인터페이스로 전자를 끌어냅니다.
이 전자 층은 2 차원 전자 가스 (2DEG)가 고도로 농축되어 있으며 저항력이 거의 없습니다. 이는 2DEG에서 충전이 훨씬 빠르게 움직여 트랜지스터가 전압의 변화에 응답하고 온 상태와 오프 스테이트간에 더 빨리 전환 할 수있게한다는 것을 의미합니다. 더 빠른 전자 이동은 또한 트랜지스터가 주어진 전압에 응답하여 더 많은 전류를 운반 할 수있게합니다. 2DEG는 실리콘 카바이드를 사용하여 생산하기가 더 어렵 기 때문에 칩이 질화 질화물 장치의 성능과 일치하기가 더 어려워집니다.
800 ° C에서 작동하도록 간 헴을 동축하려면 구조를 약간 변경했습니다. Yixin Xiong추의 대학원생. 이러한 조치 중 일부는 누출 전류를 최소화하는 것이 포함되었으며, 트랜지스터가 꺼져 있어도 몰래 들어가는 요금. 그들은 환경에서 장치의 구성 요소를 보호하고 장치 측면의 금속의 외부 층이 2DEG에 닿지 않도록 방해 함을 사용하여 Tantalum Silicide Barrier를 사용하여이를 수행했습니다.
Penn State Engineers는 800 ° C에서 높은 전자 이동성 트랜지스터를 테스트했습니다.Rongming Chu/Pennsylvania State University
Chu는 칩의 연구 및 제조 과정은 그가 예상했던 것보다 훨씬 빠르게 진행되었다고 말했다. 팀은 실험이 효과가 있다고 확신했다. 그러나 그것은“나의 최선의 추측보다 빠릅니다”라고 그는 말합니다.
주목할만한 이점에도 불구하고 Mantooth는 실리콘 카바이드에 비해 질화 질화물의 장기 신뢰성에 대해 우려하고 있습니다. “사람들이 그 극한 온도에서 500 ° 이상에서 GAN과 걱정했던 것 중 하나는 미세 생산 또는 미세 척도입니다. [which is] 그는 우리가 실리콘 카바이드에서 반드시보고있는 것이 아니므로 GAN과의 신뢰성 문제가있을 수 있다고 그는 설명했다.
Chu는 장기 신뢰성이 개선의 영역이라는 데 동의하면서“우리가 할 수있는 기술적 개선이 몇 가지 있습니다. 하나는 고온에서 더 신뢰할 수있게하고 있습니다. 지금은 아마도 1 시간 동안 800 ℃에서 유지할 수 있다고 생각합니다.”
질화 갈륨 대 실리콘 카바이드
Xiong은 여전히 장치를 개선하기 위해해야 할 일이 여전히 많다고 말합니다. 그는 누출 전류를 최소화하는 것 외에도, 탄탈 룸 실살 죽 장벽의 한 가지 기능은 장치의 티타늄이 Algan 필름과 잠재적으로 반응하는 것을 방지하여 2DEG를 파괴 할 수 있다고 설명합니다. 결국 Xiong은 장치에서 티타늄을 완전히 제거하려고합니다. “궁극적 인 목표는 티타늄에 의존하지 않는 것입니다.”
잠재적 수명 도전에도 불구하고 그룹의 칩은 표면과 같이 전자 제품이 작동 할 수있는 위치의 한계를 추진하고 있습니다. 금성. Chu는“800 ℃에서 1 시간 동안 보관할 수 있다면 600 또는 700 ℃에서 훨씬 더 오래 보관할 수 있음을 의미합니다. 금성의 주변 온도는 470 °이므로 Gan의 새로운 온도 기록은 전자 제품에 유용 할 수 있습니다. 금성 프로브.
Mantooth는 800 is 그림이 초음속 항공기 및 무기에도 중요하다고 설명합니다. 그들의 극한 속도는 마찰을 생성하여 표면을 가열 할 수 있습니다. 1500 ℃ 또는 그 이상. “많은 사람들이 깨닫지 못하는 것 중 하나는 Mach 2 또는 Mach 3에서 비행 할 때 에어 마찰이 극단적 인 환경 날개의 선단에서… 그리고 무엇을 추측합니까? 그것이 당신의 레이더가있는 곳입니다. 다른 가공 장비가있는 곳입니다. 이러한 응용 프로그램은 미국 국방부가 극한 온도의 전자 제품에 관심이있는 이유입니다.”라고 Mantooth는 말합니다.
Chu는 미래에 대한 계획에 따라 다음 단계는 “장치를 더 빨리 실행하도록 장치를 확장하는 것”이라고 말합니다. 또한 칩은 극한의 온도에서 작동 할 수있는 칩을위한 공급 업체가 너무 적기 때문에 칩이 선로 아래로 멀리 떨어져 있지 않을 수 있다고 생각합니다. “나는 그것이 준비가되어 있다고 생각합니다. 약간의 개선이 필요하지만, 고온 전자 장치의 좋은 점은 거기에 다른 것이 없다는 것입니다.”라고 그는 말합니다.
그러나 실리콘 카바이드 동반자에 대한 질화 질화물 회로의 승리는 오래 지속되지 않을 수 있습니다. Mantooth의 실험실은 또한 고온 칩을 제작하고 Chu의 칩이 가진 열 수준에 도달하기 위해 실리콘 탄화물을 얻기 위해 노력하고 있습니다. Mantooth는“우리는 실리콘 카바이드로 동일한 온도를 공격하기 위해 회로를 제조 할 것입니다. 누가 결국 누가 끝날지는 불분명하지만 적어도 한 가지는 확실합니다. 경쟁은 여전히 가열되고 있습니다.