Elmas formundayken karbonun benzersiz özellikleri, yarı iletken araştırmacılarının uzun süredir ilgisini çekmiştir. Elmasları yarı iletkenlerdeki bir sonraki büyük şey olarak müjdelemek birçok yanlış başlangıç (ve başlamayan) görmüş olsa da, Japonya’dan yapılan bazı yeni araştırmalar yeni umutlar sunuyor.
Japonya Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden (NIMS) araştırmacılar tarafından gösterilen kritik ilerleme, yüksek elektron deliği hareketliliğine sahip bir elmas alan etkili transistör (FET) tasarımıdır. İletim kayıplarını azalttığı ve daha yüksek çalışma hızlarına izin verdiği için daha fazla delik hareketliliği arzu edilir. Bununla birlikte, önceki araştırmacılar, elektronik işlevsellik için gerekli olan elektriksel iletkenliği indükleme çabalarında, elmasın bu doğal kalitesini azalttı.
Delik Hareketliliği
Referans olarak, ‘elektron deliği hareketliliği’ genellikle sadece ‘delik hareketliliği’ olarak kısaltılır. Elektronlar, bir elektromanyetik alan tarafından çekilen yarı iletken kristal kafeslerde hareket eder ve elektronun bulunabileceği konumlar olan delikler de öyle. Bir elektron daha yüksek bir duruma uyarıldığında, eski durumunda bir boşluk bırakır.
Baş araştırmacı Takahide Yamaguchi liderliğindeki NIMS araştırmacıları, yeni elmas FET’lerinden umut verici sonuçlar elde ettiler, ancak bunu nasıl başardılar? Aşağıdaki/soldaki şemada, çığır açan transistörü yapmak için kullanılan yapı ve malzemeleri görebilirsiniz. Aşağıda/sağda, NIMS tarafından üretilen elmas FET’in bir mikrografını görebilirsiniz.
NIMS, kapı izolatörü için tipik oksit malzemesi yerine tek kristalli altıgen bor nitrür (h-BN) kullandı. Bir grafit kapı elektrotu vardır ve alt tabaka elmastır. Ek olarak, araştırmacılar yeni FET’i argon gazında üretti ve ardından h-BN’de lamine etti, böylece hava ile herhangi bir teması olmadı.
Yamaguchi’ye göre, elmas transistörler yapmaya yönelik önceki girişimler, “elmanın orijinal delik hareketliliğinin sadece %1 ila %10’u arasında çok düşük hareketlilik” sorunuyla karşı karşıya kaldı. Geçmiş yıllarda, FET araştırması, yüzeysel karbon atomları hidrojen atomlarıyla kovalent olarak bağlı olan elmasları kullandı. Bu hidrojen katkılama tekniğinin daha önce elektriksel iletkenlik için gerekli olduğu düşünülüyordu, ancak aslında elmasın doğal geniş bant aralıklı yarı iletken özelliklerinin önünde duruyordu. Ne yazık ki, bu, malzemenin doğal delik hareketliliğini azaltan taşıyıcı saçılımını ortaya çıkardı.
Bununla birlikte, Yamaguchi’ye göre, yeni elmas FET tasarımı “oksit geçit izolatörleri kullanan geleneksel FET’lerin beş katı ve GaN ve SiC p-kanal FET’lerinin yirmi katından fazla delik hareketliliği” sunuyor. Daha yüksek delik hareketliliği aynı zamanda daha düşük iletim kaybı anlamına gelir, bu nedenle “kanal hareketliliğinde yirmi kat artış, kanalda yirmide bir azalma kaybı anlamına gelir” diye açıkladı.
Potansiyel İlk Kullanım Vakası Uygulamaları
Araştırmacılar, bu yeni bileşenlerin, düşük kayıplı güç dönüşümünün ve yüksek hızlı iletişimin gerekli olduğu elektronik uygulamalarda oldukça arzu edilir olacağını düşünüyorlar. Elmas FETS’in bir başka ilginç ve potansiyel olarak çok kullanışlı kalitesi, örneğin arıza emniyetli güç elektroniği uygulamalarında çok çekici olan, normalde kapalı bir özelliğe sahip olmalarıdır.
Elmas FET’leri rafine etmek ve onları pratik ve kullanışlı bir alternatif haline getirmek için hala çok iş var; ancak, NIMS önemli bir ilerleme kaydetmiştir. Kabulü geciktiren maliyetin bariz engeli ve maksimum boyutta elmas gofretlerin yolu kapatması sorunu olsa bile, bazı erken evlat edinenler hala elmas FET’lere ilgi duyabilir.