Este artículo es parte de nuestra exclusiva serie IEEE Journal Watch en asociación con IEEE Xplore.wo Semiconductores, el carburo Silicon y el nitruro de galio) son los rivales en una competencia (literalmente) acalorada para hacer que los circuitos sean capaces de actuar a las más altas temperaturas. Los chips de carburo de silicio habían tomado la delantera, operando a 600 ° C. Pero el nitruro de galio, que posee características únicas que lo hacen más funcional a altas temperaturas, ahora ha superado a SIC. Los investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania dirigidos por Rongming Chu, profesor de ingeniería eléctrica, han diseñado un chip de nitruro de galio capaz de operar a 800 ° C, lo suficientemente loco como para derretir la sal de la mesa. El desarrollo podría ser crítico para futuras sondas espaciales, motores a reacción, procesos farmacéuticos y una gran cantidad de otras aplicaciones que necesitan circuitos para condiciones extremas. Los chips de alta temperatura de carburo de silicio han permitido a los científicos colocar sensores en lugares que no pudieron antes, dice Alan Mantooth, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Arkansas, que no participó en el nuevo resultado de nitruro de galio. Explica que el chip de nitruro de galio podría hacer lo mismo en el monitoreo de la salud de las turbinas de gas natural, procesos de fabricación intensivos en energía en plantas químicas y refinerías, y los sistemas que nadie ha pensado aún. «Podemos poner este tipo de electrónica en lugares que la silicio simplemente no puede imaginar», dice. Behy Silicon Silicon y Nitride Nitride y el potencial de realizar tales condiciones extremas proviene de sus condiciones extremas de bandas de banda anchas. Esas son los espacios de energía entre las bandas de valencia de los materiales, donde los electrones están unidos a la molécula y la banda de conducción, donde son libres de contribuir al flujo de electricidad. A altas temperaturas, los electrones en materiales con una banda de banda más estrecha siempre están lo suficientemente excitadas como para llegar a la banda de conducción. Esto presenta un problema para los transistores, porque luego no podrán desconectarse. Los amplios bandas de banda del carburo de silicio y el nitruro de galio requieren más energía para excitar electrones a la banda de conducción, de modo que los transistores no siempre se encienden en entornos de alta temperatura. El IC del Grupo de Chu, que describieron este mes en IEEE Electron Device Letters, está compuesto por lo que se llama transistores de alta movilidad de electrones de galio (HEMT). La estructura de los hemts GaN implica una película de nitruro de galio de aluminio sobre una capa de nitruro de galio. La estructura dibuja electrones a la interfaz entre los dos materiales. Esta capa de electrones, calificados de un gas de electrones bidimensional (2deg), está altamente concentrada y se mueve con poca resistencia. Esto significa que la carga se mueve mucho más rápido en el 2deg, lo que lleva al transistor a poder responder a los cambios en el voltaje y al cambiar entre sus estados de encendido y apagado más rápidamente. El movimiento de electrones más rápido también permite que el transistor transporte más corriente en respuesta a un voltaje dado. El 2deg es más difícil de producir usando carburo de silicio, lo que hace que sea más difícil que sus chips coincidan con el rendimiento de los dispositivos de nitruro de galio. Para que coaxifique un hemt ganador para que opere a 800 ° C tomó algunas alteraciones a su estructura, explica Yixin Xiong, estudiante graduado de Chu. Algunas de esas medidas implicaron minimizar la corriente de fuga, cargue que se cuela incluso cuando se supone que el transistor está apagado. Lo hicieron utilizando una barrera de silicidio tantalum para proteger los componentes del dispositivo del entorno y evitando que la capa externa del metal en los lados del dispositivo toque el 2deg, lo que habría aumentado aún más la corriente de fuga y la inestabilidad en el transistor. Los ingenieros de Penn State probaron transistores de alta movilidad de electrones a 800 ° C. Enresión de Chu/Pennsylvania State Universitychu dice que el proceso de investigación y fabricación del chip fue mucho más rápido de lo que había anticipado. El equipo había confiado en que el experimento funcionaría, dice. Pero fue «más rápido que mi mejor suposición», dice. A pesar de los beneficios notables que presenta, Mantooth está preocupado por la confiabilidad a largo plazo de Gallium Nitride en comparación con el carburo de silicio. “Una de las cosas que la gente ha estado preocupada con GaN a esas temperaturas extremas, 500 ℃ y más, es microfracturas o microcracking [which is] No es algo que necesariamente viendo en el carburo de silicio, por lo que puede haber problemas de confiabilidad «con GaN, explica. Chu está de acuerdo en que la confiabilidad a largo plazo es un área para mejorar, diciendo que» hay algunas mejoras técnicas que podemos hacer: uno lo está haciendo más confiable a una temperatura alta. Right now, I think we can hold at 800 ℃ for probably 1 hour.”Gallium Nitride vs. Silicon CarbideThere is still a lot of work to be done to improve the device, says Xiong. He explains that other than minimizing leakage current, one function of the tantalum silicide barrier is to prevent titanium in the device from potentially reacting with the AlGaN film, which could destroy the 2DEG. Eventually, Xiong wants to remove titanium Desde el dispositivo por completo. La temperatura ambiente es de 470 ℃, por lo que el nuevo registro de temperatura de GaN podría ser útil para la electrónica en una sonda Venus. La cifra de 800 ℃ también es importante para las aeronaves y las armas hipersónicas, explica que Mantooth explica que sus velocidades extremas generan fricciones que pueden calentar la superficie a 1,500 ℃ o más. El borde de ataque del ala … ¿Y adivina qué? Ahí es donde se encuentra su radar. Ahí es donde se encuentra otro equipo de procesamiento. Estas aplicaciones son la razón por la cual el Departamento de Defensa de los Estados Unidos está interesado en la electrónica para temperaturas extremas «, dice Mantooth. En cuanto a los planes para el futuro, Chu dice que los próximos pasos son» escalar el dispositivo para que funcione más rápido «. También piensa que el chip puede estar listo para la comercialización no muy lejos de la línea, porque hay muy pocos proveedores para chips capaces de operar a temperaturas tan extremas. Se requiere algunas mejoras, pero lo bueno de la electrónica de alta temperatura es que no hay nada más allí «, dice. Sin embargo, el circuito de nitruro de galio contra sus compañeros de carburo de silicio no durará mucho tiempo. Sin embargo, el laboratorio de Mantooth también fabrica chips de alta temperatura y está trabajando para obtener el silicio de los silicones a los niveles de calor que tienen los timbos de la CHU. Carbide ”, dice Mantooth. Aunque no está claro quién finalmente terminará en la cima, al menos una cosa es segura: la competencia sigue calentando. De los artículos de su sitio, los artículos relacionados con la web