Poiché i consumatori di tutto il mondo sono diventati sempre più dipendenti dall'elettronica, il transistor, un componente a semiconduttore centrale per il funzionamento di questi dispositivi, è diventato un argomento critico della ricerca scientifica. Negli ultimi decenni, scienziati e ingegneri sono stati in grado sia di ridurre la dimensione media del transistor sia di ridurre drasticamente i suoi costi di produzione. L'attuale generazione di smartphone, Per esempio, si basa su chip che dispongono ciascuno di oltre 3,3 miliardi di transistor.

La maggior parte dei transistor è a base di silicio e la tecnologia del silicio ha guidato la rivoluzione dei computer. In alcune applicazioni, però, il silicio ha limitazioni significative. Questi includono l'uso in dispositivi elettronici ad alta potenza e in ambienti difficili come il motore di un'auto o sotto il bombardamento di raggi cosmici nello spazio. I dispositivi al silicio tendono a vacillare e a guastarsi in ambienti difficili.

Affrontare queste sfide, Jiangwei Liu, dell'Istituto nazionale giapponese per le scienze dei materiali, e i suoi colleghi descrivono questa settimana sulla rivista il nuovo lavoro sullo sviluppo di transistor a base di diamante Lettere di fisica applicata .

"I transistor a base di silicio spesso soffrono di un'elevata perdita di commutazione durante la trasmissione di potenza e si guastano se esposti a temperature o livelli di radiazioni estremamente elevati, " Liu ha detto. "Data l'importanza di sviluppare dispositivi che consumano meno energia e funzionano in condizioni difficili, c'è stato molto interesse all'interno della più ampia comunità scientifica nel determinare un modo per costruire transistor che utilizza diamanti fabbricati, che sono un materiale molto resistente."

E con questo interesse in mente, il team ha sviluppato un nuovo processo di fabbricazione che coinvolge il diamante, avvicinando l'"elettronica temprata" alla realizzazione.

"I diamanti fabbricati hanno una serie di proprietà fisiche che li rendono molto interessanti per i ricercatori che lavorano con i transistor, "ha detto Yasuo Koide, un professore e scienziato senior presso l'Istituto nazionale per la scienza dei materiali che guida il gruppo di ricerca. "Non solo sono materiali fisicamente duri, inoltre conducono bene il calore, il che significa che possono far fronte a livelli elevati di potenza e funzionare a temperature più elevate. Inoltre, possono sopportare tensioni maggiori rispetto ai materiali semiconduttori esistenti prima di rompersi".

Il gruppo di ricerca ha concentrato il proprio lavoro sui transistor a effetto di campo (MOSFET) a modalità di potenziamento metallo-ossido-semiconduttore. un tipo di transistor comunemente usato in elettronica. Una delle caratteristiche distintive dei transistor è l'inclusione di un terminale isolato chiamato "gate" la cui tensione di ingresso determina se il transistor condurrà elettricità o meno.

"Uno degli sviluppi che rende innovativo il nostro processo di fabbricazione è che abbiamo depositato l'isolante di ossido di ittrio (Y2O3) direttamente sulla superficie del diamante [per formare il cancello], " ha detto Liu. "Abbiamo aggiunto l'ossido di ittrio al diamante con una tecnica nota come evaporazione del fascio di elettroni, che comporta l'utilizzo di un fascio di elettroni per trasformare molecole di ossido di ittrio dallo stato solido allo stato gassoso in modo che possano essere fatte ricoprire una superficie e solidificarsi su di essa."

Secondo Liu, l'ossido di ittrio ha molte qualità desiderabili, compresa un'elevata stabilità termica, forte affinità con l'ossigeno e l'energia a banda larga, che contribuisce alle sue capacità di isolante.

"Un'altra innovazione è stata che l'ossido di ittrio è stato depositato come un singolo strato, " Liu ha detto. "Nel nostro lavoro precedente, abbiamo creato bi-strati di ossido, ma un singolo strato è attraente perché è meno difficile e meno costoso da produrre."

Liu ei suoi colleghi sperano di affinare la loro comprensione del movimento degli elettroni attraverso il transistor a diamante con futuri progetti di ricerca.

"Lavoriamo con un tipo di diamante fabbricato che ha uno strato di idrogeno sulla sua superficie. Una delle sfide importanti in futuro sarà capire il meccanismo di conduzione degli elettroni attraverso questo strato di carbonio-idrogeno, " disse Liù.

"In definitiva, l'obiettivo del nostro team è costruire circuiti integrati con diamanti, " ha detto Koide. "Con questo in mente, speriamo che il nostro lavoro possa supportare lo sviluppo di dispositivi efficienti dal punto di vista energetico che possono funzionare in condizioni di calore estremo o radiazioni".