登录注册   忘记密码

美国航空航天局研究出真空通道晶体管,希望替代硅晶体管

近日,NASA阿姆斯研究中心的真空器件研究团队研究出一种“真空通道纳米电子器件”新晶体管,这种晶体管不容易受到宇宙辐射、太阳耀斑、大幅温度变化等类似恶劣条件的干扰,有望大大降低航天器(或人类)可能面临的危险。


研究背景

空间探索的挑战是艰巨的,对于宇宙飞船仪器的损害比一般公众意识到的更为普遍,人们一直在通过研究或工程方面的努力来减轻或不就可能导致性能不佳或完全系统故障的问题,确保卫星、探测器和航天器的安全运行。


几十年来,NASA在载人航天和机器人领域探索中经历了各种类型的固态电子失效问题。NASA阿姆斯研究中心(Ames Research Center)研究人员Jin-Woo Han博士一直希望阻止重大任务中的电子失效,Han博士记录了17个任务中的9种不同失效类型,以及许多未导致任务失败但阻碍了项目正常进展的固态电子故障。深空探测需要更好的半导体技术。Han博士及其同事们希望利用真空电子管原理研究出新型固态晶体管。


Han博士在阿姆斯研究中心领导着一个20人的真空器件研究团队。Han博士最近的一项研究工作是利用真空电子的优势构建更好的电子流,且克服了NASA经常面临的现有固态电子的缺点。


固态电子器件优劣势

固态电子器件的优点包括尺寸和重量更小、更耐用、集成度高、零预热时间(硅晶体管不需要阴极加温功能)、电流效率更大。


很容易看出为什么固态电子在航空航天工程中占据一席之地。但一旦实际进入太空就能够迅速地了解到,即使是耐用的硅晶体管也不符合深空辐射要求。为了使晶体管“足够好”的满足空间需求,NASA掌握了创建备份系统的过程和一系列其他措施来保证任务的正常运行。NASA还与其他机构合作,如DARPA(国防先期研究计划局)和美国国防部开发替代技术,如砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、Han博士的纳米技术最新成果等。GaAs和GaN比硅更耐用,但几十年的研究却证明它们不适合构建复杂集成电路。


虽然传统固态晶体管在陆地应用中具有明显优势,但却不能满足空间需求。对于空间环境的瞬态损伤和累积损伤,通常可以依赖系统备份来抵御,但对于一些灾难性损伤却束手无策。


NASA设计这些备份系统需要消耗大量时间,还增加了航天器重量。比如,如果空间使用的笔记本需要的关键元器件是地球上笔记本的两倍甚至三倍,那么成本会提高三倍或更多。


真空管技术优势

真空管通过将电子从发射极(阴极)单向移动到阳极来实现电流控制功能。与固态电子器件相比,真空管具有多个重要优势,如更高电子迁移率等。那么,20世纪初出现的真空管技术如何解决NASA在21世纪面临的问题呢?


其实,NASA目前正在研发的真空纳米技术不同于20世纪的传统真空管工程,但真空通道纳米结构和传统的真空管基本功能相似,Han博士希望这种新的器件能够成为当今最强大的硅基晶体管的理想替代品。


辐射粒子的累积会破坏纳米尺寸的固态器件,导致器件导通状态电流降低、漏电流增加。而真空晶体管不会受到这些影响,因为真空晶体管的发射极和收集极之间是真空的,不存在材料(气体或固体),所以也就不会受到电离辐射的损坏。


真空通道晶体管

Han博士团队研究了几种不同化合物和不同结构用于构建真空通道纳米器件,来替代传统晶体管,材料包括体金属氧化物(MOS)、绝缘体上硅(SOI)、环栅(GAA)金属氧化物场效应晶体管(MOSFET),研究证明最有前途的材料和结构是真空栅介质内构建GAA纳米线,如下图所示。

TIM截图20170807154606.png

图 真空栅介质内构建GAA纳米线

为有效满足NASA需求,新型晶体管需能够采用现有的硅代工厂或其它已有代工厂来制造。理想结果是,新型晶体管具有良好的电学特性、实用性和紧凑型,且质量轻、抗辐射、耐极端温度等。


扫描电容显微镜和原子力显微镜相结合

为了测试器件性能,Han博士及其团队使用了扫描电容显微镜(SCM)和原子力显微镜(AFM),来研究纳米尺度的真空通道器件特性,试图确定其作为晶体管的可能性,同时观察栅绝缘体的制造方法是否受控。

TIM截图20170807154635.png

图 采用现有工艺和技术制造新型真空通道晶体管

世界领先AFM制造商Park Systems公司主任Byong Kim表示,“SCM和AFM相结合,具有高空间分辨率,能够为用户提供一种非破坏方式表征电荷分布和表面拓扑结构。”测试过程中,在SCM金属探针和待测器件表面之间施加电压,这会产生一对串联电容(测量金属氧化物半导体器件时),分别来自器件表面的绝缘氧化层和有源耗尽层,有源耗尽层位于氧化层和掺杂硅之间。总电容量取决于氧化层厚度和耗尽层厚度,耗尽层厚度受硅衬底掺杂水平和探针与器件表面之间所加直流电压值得影响。


Han博士表示,通过使用SCM和Park Systems公司的AFM,团队成功表征了电容的空间变化以及真空通道纳米晶体管的形态。通过沿器件源-漏表面检查器件的外貌并收集电容数据,进一步深入了解了关键物理结构与电容电荷变化之间的关系。


试验结果

对纳米电子器件的形貌(在源极-漏极界面处)进行成像,并显示出跨越250nm长度的真空通道,峰和谷分开约5nm的距离(图3-5)。通过采集电容图来评估器件的电气功能。该图显示了相对带负电荷(-1.4至-1.8μV)的源极-漏极端子和相邻的量子点,后面是相对带正电的真空通道(2μV)和另一个点-末端结构(-1.4至-1.8μV)源极-漏极接口的另一端。在关键结构点的这种一系列的交变电容变化表明该器件完全能够用作有效晶体管。

TIM截图20170807154729.png

图 接触式AFM呈现的器件源-漏真空通道图像。红色线对应下图中AFM扫描结果。图像尺寸450×800nm。

TIM截图20170807154757.png

图 该图是上面图像的AFM扫描结果。红色线是对应左侧y轴,单位nm;绿色线是测得电容数据,对应右侧y轴,单位μV。

TIM截图20170807154856.png

图 SCM拍摄的器件源漏间电容图像。亮点是正电荷较多的区域,暗点是负电荷较多区域。绿色的线对应上图中的电容数据。图像尺寸450×800nm。


下一步工作

NASA正在着手进一步研究生产真空通道纳米电子器件的潜力。虽然该团队利用标准的半导体制造工艺制造,但这种晶体管的理想材料仍在研究。现在已证明硅真空通道纳米器件是可能的,但硅的电荷发射效率不足,接下来可能要探索碳化硅和石墨烯等材料。

接下来NASA将于产业界和大学开展进一步合作。

您的评论:

0

用户评价

  • 暂无评论