Исследование: полупроводники из оксида галлия работают при температуре ниже, чем в открытом космосе

Исследователи из KAUST обнаружили, что электронные устройства на основе оксида галлия могут работать при температурах даже ниже, чем в открытом космосе. Эта особенность может быть использована в задачах и средах с экстремальными температурами, таких как квантовые вычисления и исследование космоса.

Компьютерные чипы, сенсоры и другие электронные системы основаны на полупроводниках. Эти материалы имеют энергетическую щель, известную как запрещенная зона, через которую электроны должны перепрыгивать, чтобы проводить электричество. Однако при низких температурах электроны оказываются в ловушке и не могут двигаться. Это явление называется замораживанием.

«На практике большинство обычных электронных устройств начинают выходить из строя при температуре ниже 100 К (–173 °C)», — говорит Вишал Ханделвал (Vishal Khandelwal), один из участников нового экспериментального исследования, возглавляемого Сяоханом Ли (Xiaohang Li).

Поскольку электроника подвергается воздействию гораздо более низких температур — в космосе или в квантовых компьютерах, работающих при температуре всего 4 К (–269,15 °C), — ей требуются системы терморегулирования, которые увеличивают стоимость, объём и сложность.

Команда KAUST давно занимается исследованиями сверхширокозонного полупроводникового бета-оксида галлия (β-Ga2O3), ранее продемонстрировавшего свою устойчивость к радиации и высоким температурам. Благодаря широкой запрещённой зоне устройства на основе оксида галлия испытывают меньшую утечку тока и продолжают работать даже при температуре 500 °C, что значительно превосходит возможности обычных кремниевых схем.

Более ранние исследования также показали, что этот материал не подвержен эффекту замораживания, характерному для других полупроводников. Чтобы использовать этот эффект, исследователи создали два устройства на основе бета-оксида галлия с примесью атомов кремния. Эта добавка снабжает устройства электронами, которые обеспечивают протекание тока.

Первым устройством оказался полевой транзистор (FinFET) с ребристыми каналами, которые делают его более мощным и стабильным по сравнению с обычными полевыми транзисторами. Второй логический компонент, называемый инвертором (также известный как вентиль NOT), является основным компонентом компьютерных схем. Оба устройства продемонстрировали надежную работу при температуре всего 2 К (–271,15 °C).

При такой температуре практически не требуется тепловой энергии, чтобы помочь электронам перейти в зону проводимости оксида галлия. «Вместо этого электроны перескакивают через “примесную зону”, создаваемую атомами кремния, что позволяет устройству проводить ток», — объясняет Ли.

Хотя это не первые электронные устройства, работающие при температуре 2 К, это первая демонстрация полупроводника со сверхширокой запрещённой зоной, который используется для создания транзисторов и логических инверторов при таких низких температурах. «С практической точки зрения это позволяет создавать компактные криогенные схемы из одного материала», — говорит Ли. Это потенциально упростит электронику в квантовых компьютерах. «Самые большие перспективы открываются в космосе. Космические зонды сталкиваются с резкими перепадами температур, поэтому устройства на основе материалов, способных работать в диапазоне от нескольких кельвинов до сотен кельвинов, такие как бета-оксид галлия, могут снизить потребность в громоздкой термозащите», — добавляет учёный.

Исследователи планируют использовать бета-оксид галлия для создания целого набора других устройств, в том числе радиочастотных транзисторов, фотодетекторов и ячеек памяти. «Мы продемонстрировали основные строительные блоки. Теперь предстоит масштабировать их для создания сложных криогенных чипов и расширить границы производительности в этом сверххолодном режиме», — говорит Ли.