Aangezien consumenten over de hele wereld steeds afhankelijker zijn geworden van elektronica, de transistor, een halfgeleidercomponent die centraal staat in de werking van deze apparaten, is een belangrijk onderwerp van wetenschappelijk onderzoek geworden. In de afgelopen decennia, wetenschappers en ingenieurs zijn erin geslaagd om zowel de gemiddelde transistorgrootte te verkleinen als de productiekosten drastisch te verlagen. De huidige generatie smartphones, bijvoorbeeld, vertrouwt op chips die elk meer dan 3,3 miljard transistors bevatten.

De meeste transistors zijn op silicium gebaseerd en siliciumtechnologie heeft de computerrevolutie aangedreven. In sommige toepassingen, echter, silicium heeft aanzienlijke beperkingen. Deze omvatten gebruik in elektronische apparaten met een hoog vermogen en in ruwe omgevingen zoals de motor van een auto of onder kosmische straling in de ruimte. Silicium-apparaten zijn gevoelig voor haperen en falen in moeilijke omgevingen.

Door deze uitdagingen aan te gaan, Jiangwei Liu, van het Japanse National Institute for Materials Sciences, en zijn collega's beschrijven deze week nieuw werk voor de ontwikkeling van op diamanten gebaseerde transistors in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

"Op silicium gebaseerde transistors hebben vaak last van hoge schakelverliezen tijdens de stroomtransmissie en falen wanneer ze worden blootgesteld aan extreem hoge temperaturen of stralingsniveaus, " zei Liu. "Gezien het belang van het ontwikkelen van apparaten die minder stroom verbruiken en presteren onder zware omstandigheden, er is veel belangstelling geweest binnen de bredere wetenschappelijke gemeenschap om een ​​manier te vinden om transistors te bouwen die gebruik maken van gefabriceerde diamanten, die een zeer duurzaam materiaal zijn."

En met deze interesse in het achterhoofd, het team ontwikkelde een nieuw fabricageproces met diamant, "geharde elektronica" dichter bij realisatie brengen.

"Gefabriceerde diamanten hebben een aantal fysieke eigenschappen die ze zeer interessant maken voor onderzoekers die met transistors werken, " zei Yasuo Koide, een professor en senior wetenschapper bij het National Institute for Materials Science die de onderzoeksgroep leidt. "Het zijn niet alleen fysiek harde materialen, ze geleiden ook de warmte goed, wat betekent dat ze een hoog vermogen aankunnen en werken bij hogere temperaturen. In aanvulling, ze kunnen grotere spanningen verdragen dan bestaande halfgeleidermaterialen voordat ze kapot gaan."

De onderzoeksgroep richtte hun werk op enhancement-mode metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistoren (MOSFET's), een type transistor dat veel wordt gebruikt in de elektronica. Een van de onderscheidende kenmerken van transistors is de opname van een geïsoleerde aansluiting, een "poort" genaamd, waarvan de ingangsspanning bepaalt of de transistor elektriciteit zal geleiden of niet.

"Een van de ontwikkelingen die ons fabricageproces innovatief maken, is dat we yttriumoxide (Y2O3) isolator rechtstreeks op het oppervlak van de diamant hebben gedeponeerd [om de poort te vormen], " zei Liu. "We hebben het yttriumoxide aan de diamant toegevoegd met een techniek die bekend staat als elektronenstraalverdamping, waarbij een elektronenstraal wordt gebruikt om moleculen van yttriumoxide van de vaste toestand naar de gasvormige toestand te transformeren, zodat ze een oppervlak kunnen bedekken en erop kunnen stollen."

Volgens Liu, yttriumoxide heeft veel gewenste eigenschappen, inclusief hoge thermische stabiliteit, sterke affiniteit met zuurstof en brede bandgap-energie, wat bijdraagt ​​aan zijn vermogen als isolator.

"Een andere innovatie was dat het yttriumoxide als een enkele laag werd afgezet, " zei Liu. "In ons vorige werk, we hebben oxide dubbellagen gemaakt, maar een enkele laag is aantrekkelijk omdat het minder moeilijk en goedkoper te produceren is."

Liu en zijn collega's hopen hun begrip van elektronenbeweging door de diamanttransistor te verfijnen met toekomstige onderzoeksprojecten.

"We werken met een soort gefabriceerde diamant met een waterstoflaag op het oppervlak. Een van de belangrijke uitdagingen voor de toekomst zal zijn om het mechanisme van elektronengeleiding door deze koolstof-waterstoflaag te begrijpen, " zei Liu.

"Uiteindelijk, het doel van ons team is om geïntegreerde schakelingen te bouwen met diamanten, " zei Koide. "Met dit in gedachten, we hopen dat ons werk de ontwikkeling van energiezuinige apparaten kan ondersteunen die kunnen functioneren in omstandigheden van extreme hitte of straling."