Forschung -

Studie stellt nanoskalige Vakuumkanaltransistoren vor

Vakuumröhren spielten zunächst eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von elektronischen Geräten. Vor einigen Jahrzehnten begannen die Forscher jedoch, sie durch Halbleitertransistoren zu ersetzen.

Obwohl Vakuumröhren heute in der Elektronikentwicklung selten eingesetzt werden, haben sie gegenüber Transistoren einige wichtige Vorteile. So ermöglichen sie beispielsweise in der Regel eine schnellere Funktion, eine bessere Störsicherheit und eine höhere Stabilität in extremen oder rauen Umgebungen.

In einer aktuellen Studie haben Forscher des NASA Ames Research Center gezeigt, dass nanoskalige Vakuumkanaltransistoren auf Siliziumkarbid-Wafern hergestellt werden können.

Die Fertigung dieser Transistorart im Wafermaßstab könnte letztendlich deren breite Anwendung ermöglichen und sie zu einer sinnvollen Alternative zur Halbleiterelektronik machen.

"Standardelektronik hat aufgrund der Auswirkungen von Strahlung nur sehr wenig Nutzen für Raumfahrtmissionen", sagte Meyya Meyyayappan, einer der Forscher, die die Studie durchführten.

"Typischerweise wäre ein Strahlenschutz oder ein fortschrittliches strahlungsbewusstes Schaltungsdesign erforderlich, die alle teuer und zeitaufwendig sind und zu einer Hardware führen, die nicht dem neuesten Stand der Technik entspricht."

"Wir haben das Beste aus der Vakuumphysik und der modernen Fertigung integrierter Schaltungen kombiniert, um nanoskalige Vakuumtransistoren herzustellen, die die genannten Mängel überwinden."

Bei der Herstellung des nanoskaligen Vakuumkanaltransistors folgte Jinwoo Han, der für das Design und die Herstellung verantwortliche Forscher, einem ähnlichen Prozess wie bei der Fertigung herkömmlicher MOSFETs.

Der einzige Unterschied bestand darin, dass er den Halbleiterkanal, der bei MOSFETs zwischen Source und Drain platziert ist, durch einen leeren Kanal ersetzte.

"Im Gegensatz zu unseren früheren Arbeiten an Silizium-Surround-Gate-Nanovakuumtransistoren haben wir die Ausrichtung diesmal auf vertikal statt auf horizontal umgestellt", erklärte Meyyappan.

"Da der Kanal nichts hat, können Elektronen schneller sein als in Halbleitern, wo sie durch das Kristallgitter gestreut werden. Damit kann die Betriebsfrequenz oder die Funktionsgeschwindigkeit höher sein."

Der von den Forschern vorgestellte nanoskalige Vakuumkanaltransistor wurde auf 150-mm Siliziumkarbid-Wafern hergestellt. Bei der Bewertung ihrer Leistung stellten die Forscher fest, dass der Treiberstrom ihres Transistors linear mit der Emitteranzahl auf dem Sourcepad skaliert.

Meyyappan und seine Kollegen verglichen auch die Leistung des neuen Transistortyps mit der von gleichzeitig hergestellten Silizium-Vakuumkanaltransistoren.

Ihre Tests ergaben, dass das Siliziumkarbidelement eine deutlich höhere Langzeitstabilität aufweist, was insbesondere für Anwendungen im Weltraum und in anderen anspruchsvollen Umgebungen von Vorteil sein kann.

"Wir fertigten unsere sub-100-nm Vakuumkanaltransistoren mit Silizium- und Siliziumkarbidmaterialien", sagte Han. "Ihre Leistung ist ermutigend und die Transistoren werden nicht durch Strahlung beeinflusst. Das bedeutet, dass wir unsere derzeitige Fertigungsinfrastruktur und bekannte Materialsysteme für die Herstellung ultrakleiner Vakuumelemente nutzen können."

Die von den Forschern gesammelten Erkenntnisse könnten in Zukunft die Wiedereinführung von Vakuumkanaltransistoren für die Herstellung von Elektronik, insbesondere für den Einsatz im Weltraum, fördern.

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