Ученые из KAUST выяснили, что электронные компоненты из оксида галлия способны функционировать при температурах, еще более низких, чем в условиях открытого космоса. Данное свойство может найти применение в областях с экстремальными температурными режимами, включая квантовые вычисления и освоение космоса.
Источник изображения: KAUST
Микросхемы, датчики и прочие электронные устройства базируются на полупроводниках. У этих материалов имеется энергетический промежуток, называемый запрещенной зоной, который электронам необходимо преодолеть для возникновения электрической проводимости. Однако при пониженных температурах электроны оказываются заблокированными и теряют способность к перемещению. Данный процесс известен как заморозка.
«В реальности большинство стандартных электронных приборов начинают давать сбои при падении температуры ниже 100 К (–173 °C)», — отмечает Вишал Ханделвал (Vishal Khandelwal), один из участников нового экспериментального проекта под руководством Сяохана Ли (Xiaohang Li).
Поскольку электроника сталкивается с гораздо более суровыми холодами — в космическом пространстве или в квантовых компьютерах, работающих при температуре около 4 К (–269,15 °C), — ей необходимы системы терморегуляции, что ведет к росту стоимости, габаритов и сложности оборудования.
Коллектив KAUST уже длительное время изучает сверхширокозонный полупроводник бета-оксид галлия (β-Ga2O3), который ранее продемонстрировал устойчивость к радиационному воздействию и высоким температурам. Благодаря широкой запрещенной зоне приборы на основе оксида галлия отличаются меньшими токами утечки и сохраняют работоспособность даже при 500 °C, что существенно превосходит показатели традиционных кремниевых схем.
Предыдущие исследования также подтвердили, что данный материал не подвержен эффекту заморозки, свойственному другим полупроводникам. Чтобы использовать это преимущество, исследователи разработали два устройства из бета-оксида галлия, легированного атомами кремния. Такая добавка обеспечивает приборы электронами, необходимыми для протекания тока.
Первым компонентом оказался ребристый полевой транзистор (FinFET), чьи каналы обеспечивают ему большую мощность и стабильность по сравнению со стандартными полевыми транзисторами. Второй логический элемент, известный как инвертор (или вентиль NOT), представляет собой фундаментальный узел компьютерных схем. Оба устройства стабильно функционировали при температуре всего 2 К (–271,15 °C).
При столь низкой температуре электронам почти не требуется тепловая энергия для перехода в зону проводимости оксида галлия. «Вместо этого электроны перемещаются через “примесную зону”, сформированную атомами кремния, что позволяет устройству проводить электричество», — поясняет Ли.
Хотя это не первые электронные приборы, работающие при температуре 2 К, данная работа впервые демонстрирует использование полупроводника со сверхширокой запрещённой зоной для создания транзисторов и логических инверторов в таких условиях. «С практической точки зрения это даёт возможность изготавливать компактные криогенные схемы из одного материала», — отмечает Ли. Это может упростить электронику, применяемую в квантовых компьютерах. «Наибольший потенциал лежит в космической сфере. Космические аппараты подвергаются экстремальным температурным колебаниям, поэтому устройства из материалов, способных работать в диапазоне от нескольких кельвинов до сотен кельвинов, например из бета-оксида галлия, могут уменьшить необходимость в громоздкой тепловой защите», — добавляет учёный.
В планах исследователей — использовать бета-оксид галлия для создания целого ряда других устройств, включая радиочастотные транзисторы, фотодетекторы и ячейки памяти. «Мы показали основные строительные блоки. Теперь наша задача — масштабировать их для разработки сложных криогенных чипов и расширить границы производительности в этом сверххолодном режиме», — заключает Ли.
