Sviluppato con successo il primo MOSFET di diamanti N-Canale del mondo, una svolta che consente la creazione di circuiti integrati di CMOS a base di diamanti per uso ad alte prestazioni in ambienti estremi
Un passo avanti nello sviluppo di circuiti integrati di diamante CMOS.
Un team di ricerca del National Institute for Materials Science (NIMS) ha sviluppato il primo MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) di diamanti N-channel al mondo. Questa svolta, descritta in un articolo pubblicato su Advanced Science (1), segna un passo significativo verso la realizzazione di circuiti integrati di CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) a base di diamanti, consentendo il loro uso in ambienti estremi e avanzando lo sviluppo dell'elettronica di alimentazione a base di diamanti.
Il diamante come semiconduttore offre proprietà fisiche eccezionali, tra cui un gap di banda ultra largo di 5,5 eV, alta mobilità portante e eccellente conducibilità termica. Queste caratteristiche rendono il diamante un materiale altamente promettente per applicazioni ad alte prestazioni e ad alta affidabilità in condizioni estreme, come temperature elevate e radiazioni intense, uguali a quelle vicine ai nuclei di reattori nucleari.
Diamond Electronics non solo riduce la necessità di sistemi di gestione termica complessi rispetto ai semiconduttori convenzionali, ma offrono anche una maggiore efficienza energetica, una maggiore tolleranza alla tensione di rottura e una maggiore durata in ambienti difficili.
Richiesta di integrazione del diamante CMOS
D'altra parte, con lo sviluppo di tecnologie di crescita dei diamanti, elettronica di alimentazione, spintronics e sensori di sistema microelettromeccanico (MEMS- microelectromechanical system) operabili in condizioni di alta temperatura e radiazione forte, la domanda di circuiti periferici basati su dispositivi di diamante CMOS è aumentata per l'integrazione monolitica. Per la fabbricazione di circuiti integrati CMOS, sono necessari MOSFETs di tipo P e di tipo N, proprio come nell'elettronica di silicio convenzionale. Tuttavia, i MOSFETs di diamanti N-canale non erano ancora stati sviluppati.
Questo team di ricerca NIMS ha sviluppato una tecnica per coltivare semiconduttori a diamante monocristallino di alta qualità con terrazze lisce e piatte a livello atomico mediante diamante drogante con una bassa concentrazione di fosforo (diagramma a sinistra in figura). Usando questa tecnica, il team è riuscito a fabbricare per la prima volta nel mondo un MOSFET di diamanti N-Cannel per la prima volta.
Convalida di progettazione e prestazioni
Questo MOSFET è composto principalmente da uno strato di semiconduttore a diamante n-canale in cima a un altro strato di diamante drogato con un'alta concentrazione di fosforo (diagramma medio nella figura). L'uso di quest'ultimo strato di diamante ha ridotto significativamente la resistenza al contatto della sorgente e del drenaggio. Il team ha confermato che il MOSFET di diamanti fabbricato ha effettivamente funzionato come transistor a canale N.
Inoltre, il team ha verificato le eccellenti prestazioni ad alta temperatura del MOSFET come indicato dalla sua mobilità dell'effetto di campo un importante indicatore di prestazioni del transistor-di circa 150 cm2/V･sec a 300° (grafico a destra nella figura).
Si prevede che questi risultati facilitino lo sviluppo di circuiti integrati di CMOS per la produzione di elettronica di alimentazione ad alta efficienza energetica, dispositivi spintronici e sensori (MEMS) in ambienti difficili.
Riferimenti:
Descrizione foto: (A sinistra) Immagine al microscopio a forza atomica della morfologia della superficie dell'epilayer diamantato. (Medio) Immagine al microscopio ottico del MOSFET di diamanti. (A destra) Prestazioni del MOSFET misurato a 300°C. La corrente di drenaggio è aumentata quando la tensione di gate (VG) è stata aumentata da -20 V (indicata da una linea nera) a 10 V (indicata da una linea gialla). - Credit: Satoshi Koizumi, Meiyong Liao National Institute for Materials Science.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Diamond Devices Break Limits: Scientists Unveil New High-Performance Nuclear-Grade Transistor