跳到主要内容

话题

运输性质

运输性质

逻辑电路发热

热开关:NEMS在高温下工作

美国的研究人员是第一个制造可在高达500°C的温度下工作的微型机电逻辑电路的人 °C.电路包含两个由碳化硅制成的开关,并用作逻辑非门。该团队认为,其纳米机电系统(NEMS)可用于嵌入热机械(如喷气发动机或石油钻机)中的微控制器。

现代技术越来越依赖于嵌入式计算机控制系统,但是某些设备太热了,以至于传统的硅电子设备无法正常工作。问题是正常的计算机芯片在300左右以上无法正常工作 °C,因为热量导致晶体管结退化–并且还因为热激发的电子改变了半导体的电子特性。

设计师通过使用碳化硅(SiC)制造高温微控制器解决了这个问题,该碳化硅比普通硅具有更强的抗热损伤能力。另外,SiC中热激发电子所需的能量大得多。不幸的是,由SiC制成的晶体管往往体积大,速度慢且耗电,并且只能在高压下工作。

切换悬臂

现在,俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的Mehran Mehregany及其同事表明,可以用尺寸仅为几百纳米的微型机械开关制成出色的高温微控制器。

为了制造设备,该团队在硅晶片上涂了一层薄薄的氧化硅,然后再涂了400层。 纳米厚的SiC层。然后,研究人员使用电子束光刻技术制作了一个简单的开关,该开关包括两个SiC电极(栅极和漏极),这些电极被SiC悬臂梁(源极)跨越。通过使用化学腐蚀掉氧化硅的方法将SiC开关从晶圆上释放出来。

当在栅极和源极之间施加电压时,发现静电力将电子束拉到与漏极(而不是栅极)接触。这允许电流在源极和漏极之间流动,从而使该器件成为NEMS场效应晶体管。通过组合两个这样的开关,Mehregany和他的同事便能够做出非逻辑门。

团队以500美元的价格操作了该设备 °C的频率为500 kHz,逻辑输入电压为±6 V。虽然此电压比硅逻辑器件高得多– which work at 3 V or less – the NEMS logic of ±6 该团队表示,V与其他高温设备一致。并且因为开关电压不是设备的固有特性–就像在半导体中一样– the device’原则上,可以通过减小元件开关来进一步降低电压。

无下限

在悬臂梁破裂之前,该团队能够在室温下操作一个典型的开关约210亿个周期。在500 °C,但是,这些开关仅持续了大约20亿个周期。研究小组还发现,在此温度下,断裂的一端有一个很小的SiC球。令人费解的是,SiC通常在1800升华 °C.

案例物理学家李德豪告诉 physicsworld.com 球破裂可能是由开关操作过程中与温度相关的电气尖峰引起的。“通过改进开关的设计,可以减少开关上的弯曲应力,从而显着提高开关的可靠性和使用寿命,” he says.

千兆赫运算

Lee认为,这些改进和其他改进可能会导致设备能够以千兆赫兹的速度提供数万亿次的可靠运行周期–这将超过典型微控制器电路的速度和寿命要求。

除了提高单个开关的性能外,该团队还致力于将器件集成到更复杂的电路元件中,例如加法器或寄存器。它还正在研究如何为高温应用封装器件的问题。

工作报告在 科学 329 1316.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者