コロラド対ジョージア工科大学
このトランジスタは、室温から 1112 °F (600 ℃) の範囲の温度で動作できました。
(画像クレジット: Science Graphics)
日本の科学者が新しいものを作成した トランジスタ 華氏1110度（600度）の温度に耐えることができます。この堅牢性の要素は、いつか金星の表面探査機に使用される可能性があります。 二酸化炭素の濃い大気 温度は 860 F (460 C) に達することがあります。
深宇宙探査に使用される機器を含む最新のテクノロジーのほとんどは、トランジスタを使用して電流を制御します。しかし、新しいデバイスは電界効果トランジスタ（JFET）の一種で、電界の強さによってチャネルのコンダクタンスが変化する。
JFET は、スマートフォンや家庭用コンピュータで広く使用されている一般的な金属酸化物半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) よりも拡張するのが難しいため、通常は特殊なアプリケーションで使用されます。しかし、JFET は、その動作が干渉を引き起こす可能性のある酸化層に依存しないため、より低いノイズ レベルを実現できます。
からの新しいビデオリビングサイエンス
研究者らは、8月17日に学術誌に掲載された研究で、新しいトランジスタがどのように機能するかを説明した。 APL電子デバイス。
暑さに耐えられない
少なくとも 今世紀の初め炭化ケイ素 (SiC) JFET は、高温に耐える材料能力があるため、金星に向かう集積回路の有望な選択肢と考えられてきました。
科学者たちが新しい研究で指摘したように、「以前のジュエリーはシリコンエレクトロニクスによってわずか数時間に制限されていました。」ソ連時代に着陸した金星13号は、金星滞在時間の世界最長記録である2時間7分を樹立した。
「SiCで作られた集積回路（IC）は、従来のシリコンベースのICでは確実に動作できない深宇宙探査、地熱掘削、宇宙エンジン制御などの極限環境にとって特に魅力的です」と研究者らは付け加えた。
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しかし、最近開発された SiC-JFET はすべて、低静電容量と大きな漏れ電流という 2 つの問題を抱えています。 1 つ目は、SiC 基板に他の原子をドープしてその電気的特性を変化させ、ゲート (電界が生成される場所) とチャネル領域 (電流が流れる場所) を定義する方法に依存します。
研究チームはドーパントを使用してトランジスタの周囲のSiCに2つの半導体「ウェル」を作成し、大きな漏れ電流を回避した。
(画像クレジット: Science Graphics)
SiC などの規則的な結晶構造を持つ材料では、一部のドーパント原子が予想より深く浸透する場合があります。これは通常の状態では重要ではありませんが、高温にさらされるとフィールド電圧が変化してチャネルが開き、信頼性の高いトランジスタ制御がより困難になります。科学者らは、これにより JFET の典型的な最大電圧が 2 ボルトを超える可能性があることを発見しました。
さらに、660 °F (350 °C) を超える温度では、SiC 基板により電気抵抗が低減され、トランジスタがオフの場合でも電流が流れるようになります。これにより、JFET が電流を適切に制御することがより困難になり、誤った信号が発生し、消費電力が増加する可能性があります。
最も先進的な JFET でさえ、長期的には 930 F (500 C) でしか動作できませんが、京都のチームは、この問題が未解決のままである理由について理論を持っていました。
「開発が進まないのは、研究コミュニティがシリコン時代の考え方を全く異なる材料に適用しようとしているためだと我々は考えている」と研究の筆頭著者は述べた。 金子光昭京都大学工学部准教授、A研究室 声明。
トランジスタを上下逆さまにする
研究者らは、これら 2 つの課題を念頭に置いて新しい SiC-JFET を設計しました。制御を改善するために、彼らはゲートがSiC導電チャネルの下に位置するボトムゲート構造を実装しました。
そのゲート領域は設計により高濃度にドープされているため、チャネル内のドーパント原子がSiCの奥深くまで浸透しても、チャネルゲート領域全体のドーピングプロファイルは変化せず、高温でも最大電圧への影響が制限されます。
研究チームはまた、ドーパントを使用して、JFET の周囲の SiC に 2 つの半導体領域、つまり「ウェル」を作成しました。ウェル間の境界は電流の流れに対する障壁として機能します。つまり、高温では SiC の導電性が高くなっても、トランジスタがオフのときに電流はチャネルをバイパスできません。
この固体トランジスタは、二酸化炭素の厚い大気が860°F（460℃）に達する金星の表面探査に使用できる可能性がある。
(画像クレジット: Science Graphics)
研究者らは、厚さとドーピングレベルに基づいて、新しいJFETが電流をどの程度オン/オフできるか、また実際のしきい値電圧が理論値とどの程度一致するかを測定した。彼らは、室温から 1110 F (600 C) までの範囲の温度でこれらの測定値を記録しました。
「製造されたデバイスは、873 Kを超える温度でも安定したトランジスタ動作を示しました。 [1,110°F]さらに、ボトムゲート設計のおかげで、約400℃（750°F）での最大電圧誤差は0.1V未満でした。
科学者らによると、金星の表面探査機と同様に、このトランジスタはジェットエンジン内で役立つ可能性があるという。現在、ガス タービンに取り付けられたコンポーネントは、熱シールド、長いケーブル、およびエンジンの設計を制限するエネルギー集約型の冷却システムを使用して、極端な温度から保護する必要があります。
研究チームは、トランジスタを宇宙に飛ばしたり、航空機に取り付けたりする前に、実用化に向けてテストし、最適化する必要がある。これにより、より複雑な回路に統合し、ウェハレベルまでスケールダウンし、回路パッケージ全体が極端な温度やストレスに耐えられるようにすることが可能になります。
実際のところ、そこまで高い目標は設定されていないかもしれません。 NASA SiC-JFET を備えた集積回路は、温度 860 °F (460 ℃)、圧力 9.3 MPa に 60 日間、空気中で 930 °F (500 ℃) に 1 年以上耐えられることを示しました。さらに、2024 年には、日本の国立研究開発法人物質・材料研究機構のチームが、動作する可能性のあるダイヤモンド MOSFET を開発しました。 570 F (300 ℃) 以上。
「イオン注入された SiC ベースのボトム JFET の 600°C を超える動作」、金子光昭、柴田俊哉、木本常信著、APL エレクトロニクス・デバイス (2026)。記事はこちらからご覧いただけます https://doi.org/10.1063/5.0346734。
