金剛石基邏輯電路：尺寸更小、更耐高溫！

導讀

近日，日本國立材料科學研究所的科研團隊採用氫化金剛石（H-diamond），成功製造出一種電力轉換系統的關鍵電路。這種電路可在達300攝氏度的高溫下運行。這些電路可用於金剛石基的電子器件，比硅基電子器件更小、更輕、更高效。

背景

風力發電風車和太陽能發電面板等發電裝置，在將電力轉移到家庭、企業和電網中時，其生成的電力幾乎要損耗10%。為了讓電力轉換系統的效率更高，我們通常需要藉助於半導體器件。

硅，是一種較為常見且廣泛使用的半導體材料。但是，對於高功率、高溫度、高頻率的電子器件來說，硅材料受其自身特性的制約，成為了一個較差的選擇。

創新

為了解決上述問題，科學家們正在研究採用新型金剛石半導體電路，讓電力轉換系統更高效。

日本國立材料科學研究所的科研團隊採用氫化金剛石（H-diamond），成功製造出一種電力轉換系統的關鍵電路。他們更進一步地演示了，這種電路可在達300攝氏度的高溫下運行。這些電路可用於金剛石基的電子器件，比硅基電子器件更小、更輕、更高效。

這周，研究人員將他們的研究成果發表於美國物理聯合會（AIP）出版的《應用物理快報（Applied Physics Letters）》雜誌。

技術

這項研究中，研究人員在高溫條件下，測試了氫化金剛石「或非」（NOR）邏輯電路的穩定性。這種電路應用於計算機中時，只有當兩個輸入都是零的時候才會有輸出。該電路由兩個金屬氧化物半導體場效應管（MOSFETs）組成。MOSFET在許多電子器件以及數字集成電路中都有使用，例如微處理器。2013年，Liu 及其同事最先報告了這種增強型氫化金剛石 MOSFET。

氫化金剛石「或非」邏輯電路的俯視圖（左），「或非」邏輯電路的運算示意圖（右）

（圖片來源：Liu et al）

氫化金剛石「或非」邏輯電路的製造程序的俯視圖 (a)和剖視圖（右）。

（圖片來源：參考資料【2】）

氫化金剛石「或非」邏輯電路的頂視圖(a)、原理圖(b)、 結構剖視圖(c)，負荷電阻器的平面示意圖(d)

（圖片來源：參考資料【2】）

當研究人員將電路加熱至300攝氏度，它可以正確工作，但400攝氏度時就失效了。他們懷疑，更高的溫度引起MOSFET崩潰。然而，更高的溫度也並不是「高不可攀」，另外一個科研小組就報告了相似的氫化金剛石MOSFET可以在400攝氏度高溫下成功運行。相比而言，硅基電子器件的最高操作溫度是150攝氏度。

價值

日本國立材料科學研究所的研究員、論文合著者之一的Jiangwei Liu 表示：「對於高功率發電機來說，金剛石更適合製造小尺寸、低功耗的電力轉換系統。」

日本國立材料科學研究所的主任、論文合著者之一 Yasuo Koide 表示：「金剛石是下一代電子器件的候選材料之一，特別是對於節能來說。當然，開發英寸級的單晶金剛石晶圓和金剛石基的其他集成電路，對於實現產業化而言非常有必要。」

未來

未來，研究人員計劃通過改變氧化物絕緣體以及製造工藝，提高電路在高溫條件下的穩定性。他們希望製造出可以在500攝氏度和2千伏條件下運行的氫化金剛石MOSFET邏輯電路。

關鍵字

金剛石、硅、半導體、邏輯電路

參考資料

【1】https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/diamond-based-circuits-can-take-heat-advanced-applications?TRACK=aipp-home

【2】Jiangwei Liu, Hirotaka Oosato, Meiyong Liao, Masataka Imura, Eiichiro Watanabe & Yasuo Koide. Annealing effects on hydrogenated diamond NOR logic circuits. Applied Physics Letters, 2018 DOI:10.1063/1.5022590

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