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太空應用領域的曙光!NASA展示納米級互補真空場發射晶體管


幾十年來,NASA 在載人航天和機器人領域探索中經歷了各種類型的固態電子器件失效問題,外太空探索所面臨的挑戰遠遠超出常人想象。

傳統固態電子器件具有尺寸小、重量輕、更耐用、集成度高、另預熱時間、電流效率大等眾多優點,這也是為什麼固態電子器件在航空航天工程中能夠佔據一席之地,而且在陸地應用領域更是重中之重,但是,在太空領域,諸如宇宙輻射、太陽耀斑、大幅度溫差等等惡劣條件,即便是耐用的硅晶體管也不能很好的勝任。

為了能夠讓晶體管滿足外太空領域的需求,多年來,NASA 靠創建備份系統以及其他措施來保證正常運行,另外,NASA 還與眾多機構進行合作,比如國防先期研究計劃局和美國國防部開發替代技術,如砷化鎵、氮化鎵。

為了克服電子器件失效的難題,位於加利福尼亞州矽谷 NASA 艾姆斯研究中心的高級科學家 Jin-Woo Han 希望利用真空電子管原理研究出新型的晶體管。

近日,Jin-Woo Han 和他的同事 Meyya Meyyappan、Myeong-Lok Seol 和 Jungsik Kim 一起設計了納米級互補真空場發射晶體管,即 VFET。

太空應用領域的曙光!NASA展示納米級互補真空場發射晶體管

圖│韓振宇(來源:NASA)

這種新型晶體管的優勢是什麼?

VFET 全稱真空場發射三極體,也叫作納米級真空溝道晶體管,它沒有半導體溝道,在源極端子和漏極端子之間存在有一個空的間隙,電子穿過這個空隙,這樣的設計融合了真空電子器件和固態電子器件的優點。

VFET 器件在真空環境下具備很好的柵控特性以及場發射特性,同時還具備在大氣環境中的電學性能,也就是說它可在大氣壓下工作而無需真空,但為了能夠更加穩定可靠地工作運行,需要中等真空度,例如幾百毫托。另外,這些 VFET 最低可在 2V 驅動電壓下運行,這種特性在真空電子設備算是首次。

設計過程中所面臨的挑戰?

在常規的金屬氧化物半導體場效應晶體管中分別具有 N 型和 P 型器件,即 NMOS 和 PMOS。這很容易實現,因為半導體可以採用任何一種方式進行摻雜。這兩種類型的可用性允許在兩個器件成對工作的情況下構造 CMOS。

當連接到公共輸入電壓時,它們以相反的方式工作:當一個晶體管導通時,另一個晶體管截止。由於在溝道中沒有用於摻雜的半導體材料,也沒有可能製造 P 型器件的空穴,因此 VFET 的互補操作無法實現。

太空應用領域的曙光!NASA展示納米級互補真空場發射晶體管

圖 │ CVFET 的致動方式和電子發射軌跡的示意圖(來源:Meyya Meyyappan)

針對這一難題,Jin-Woo Han 和他的同事們進行了重新設計。真空設備中載流子的主要源是電子,這是源電極中場發射產生的。在沒有漏洞的情況下,便需要一種外部機制來調用互補操作(如上圖所示)。

此處的機制是柵極的納米機電(NEM)致動,可調製真空溝道的長度,從而調節電子在柵極電壓下跨源 – 漏溝道的傳輸,形成較短的真空通道長度,並且正輸入電壓接通 N 型器件,負輸入電壓接通 P 型器件。值得一提的是,NEM 驅動的門調製是 NEMS 繼電器開關和其他低功耗電子產品中採用的一項成功技術。

為了測試器件的性能,Jin-Woo Han 和他的團隊藉助掃描電容顯微鏡和原子力顯微鏡來進行分析。同時,他們還研究了多種材料構建真空通道納米器件來代替傳統晶體管,比如金屬氧化物、絕緣體上硅、環柵金屬氧化物場效應晶體管等等,研究發現,最具優勢的是真空柵介質內構建 GAA 納米線。

在被問及是否正在基於此設計製造設備時,Jin-Woo Han 表示目前還沒有。「我們通過模擬和研究潛在電路演示了這一概念,提供了一種可能的工藝流程來製造器件,這在 CMOS 中效果很好,提供了互補的類型傳輸和輸出特性。而接下來的器件製造環節,這些工藝步驟與當前在硅集成電路製造中使用的工藝步驟非常相似。我們希望設備研究界將對設計和工藝流程以及材料選擇能夠進行更深層次的調整、完善和優化。」他說道。

這種新型晶體管的前景應用如何?

首先,與 VFET 的純電子常規結構相比,這種互補結構能夠實現非常低的靜態功耗和非常高的抗干擾性,這兩者在使用邏輯電路的應用中至關重要。因此,低功耗邏輯電路的應用是非常好的選擇。

此外,這種新型晶體管還將會是太空和軍事應用中所需的防輻射電子產品的理想選擇,而這要得益於其本身具備抗輻射的能力。環繞在地球外圍的電粒子帶存在著輻射,太空電子設備面臨的主要挑戰之一就是其長時間暴露在輻射環境中而不易受到影響。

要知道,傳統設備遭受輻射撞擊會在溝道半導體和氧化物材料上產生各種缺陷,導致器件導通狀態電流降低、漏電流增加,這些缺陷會慢慢積累並最終導致設備故障甚至是損毀。

這種晶體管不懼輻射根源在於內部沒有半導體通道或介電材料,其發射極和收集極之間是真空的,從而使其不受到宇宙輻射、太陽耀斑等惡劣條件的干擾。

目前,Jin-Woo Han 和他的團隊正在更進一步探究這種晶體管的潛力,雖然當下還是採用標準半導體製造工藝來製造的,但這並非是最為理想的材料,比如硅的電荷發射功率不足,接下來還將試驗碳化硅,氮化鎵,石墨烯和碳納米管在內的多種材料。

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