Logische schakeling voor warme toepassingen

Onderzoekers uit de VS zijn er in geslaagd om een kleine elektromechanisch logisch circuit te maken die kan werken bij temperaturen boven de 500°C. Dit is de eerste maal dat er iemand hierin geslaagd is. Het circuit bestond uit twee schakelaars gemaakt van siliciumcarbide. Siliciumcarbide is een materiaal die zeer hard is en dus goed tegen hoge temperaturen kan. Daarom wordt het ook vaak gebruikt om te slijpen en polijsten. Deze twee schakelaars kunnen gaan werken als een NOT-poort. Een NOT- of Niet-poort is een digitale elektronische schakeling, die maar één ingang en één uitgang bevat. De uitgang van deze poort is uitsluitend nul, als de ingang 1 is. Volgens de onderzoekers kan deze technologie gebruikt worden om nano-elektromechanische systemen te ontwikkelen. Nano-elektromechanische systemen (NEMS) zijn kleine systemen die uit een combinatie van elektronische, mechanische en eventuele chemische componenten bestaan. Deze nano-elektromechanische systemen kunnen dan gebruikt worden voor toepassingen waarbij de temperatuur heel hoog is, zoals bijvoorbeeld in straalmotoren of bij olieboringen.

De moderne technologie maar steeds meer en meer gebruik van dergelijke systemen maar bij bepaalde toepassingen kunnen deze niet gebruikt worden om de temperatuur er te hoog wordt. Die hoge temperatuur zorgt ervoor dat de conventionele elektronische systemen gemaakt van silicium stuk gaan. Het probleem is namelijk dat de normale computerchip niet boven temperaturen van 300°C kunnen werken. Bij 300°C zorgt dat de verbindingen in de transistors los komen. Maar ook zorgt deze warmte dat er elektronen geëxciteerd worden in het halfgeleidermateriaal. En wanneer het er te warm wordt, dan worden veel elektronen geëxciteerd en dit zorgt dat de elektronische eigenschappen van het halfgeleidermateriaal veranderen.

Men loste deze problemen op door geen silicium maar siliciumcarbide te gebruiken voor de transistors. Siliciumcarbide is veel bestendiger te warmte in vergelijking met gewoon silicium. En ook is er hier veel meer energie nodig om de elektronen thermische te exciteren. Maar deze transistors zijn wel veel groter, ze werken trager en vragen veel meer energie dan de gewone. Maar Mehran Mehregancy en collega's van de Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio bedachten een manier om deze nadelen van het gebruik van siliciumcarbide weg te werken. Dergelijke warmtebestendige microcontrollers kunnen namelijk gemaakt worden van heel kleine mechanische schakelaartjes, die maar een paar nanometer groot zijn. Om deze te kunnen maken, het team maakte een wafer van silicium met daar een dunne laag siliciumoxide. Een wafer is een dunne plak monokristallijn halfgeleidermateriaal waarop er geïntegreerde schakelingen geconstrueerd kunnen worden. Op deze dunne laag siliciumoxide wordt er dan weer een laag aangebracht, namelijk een laag siliciumcarbide van 400 nanometer dik.

De onderzoekers maakte dan gebruikt van electron beam lithography om zeer kleine structuren te maken om het siliciumcarbide. Hierbij wordt het oppervlak gescand een bundel elektronen die een bepaald geordend patroon vormen, deze elektronen kunnen het materiaal gaan verwijderen. Dit is een veelgebruikte techniek voor de productie van geïntegreerde circuits en nanostructuren. Aan de hand van deze techniek konden de wetenschappers een heel kleine schakelaar maken, deze bestond uit twee elektrodes van silicium carbide en deze twee worden overspannen door een aan één zijde ingeklemde ligger, ook van siliciumcarbide. De twee elektrode worden gebruikt als de gate en de drain. En de ingeklemde ligger wordt gebruikt als bron.

Het is dus de bedoeling dan wanneer er een signaal gegeven wordt aan de gate dat de drain verbonden wordt met de bron. En dit gebeurt ook, namelijk wanneer men een spanning op de bron en op de gate aanbrengt, dan ontstaan er elektrostatische krachten. Deze krachten gaan inwerken op de ingeklemde ligger en zorgen ervoor dat deze gaat doorbuigen. Doordat deze doorbuigt wordt er contact gemaakt tussen de ingeklemde ligger en de elektrode van de drain. En zo is dus de bron dan verbonden met de drain. Dit 'toestel' of mechanisme noemt men dan een NEMS veldeffecttransistor. Een veldeffecttransistor, meestal aangeduid als FET, is dus de algemene naar voor een transistor waar de geleiding tussen de bron en de drain beïnvloed wordt door een elektrische veld afkomstig van een spanning op de gate. Om de werking van deze nieuwe technologie aan te tonen maakte Mehregany en het team een prototype, namelijk een logische NIET-poort. Het prototype werkte bij temperaturen van 500°C aan een frequentie van 500kHz en de spanningen die aan de ingangen aangelegd moesten worden bedroegen ± 6 volt. Dit is wel een grotere spanning dat diegene nodig bij de gewone logische componenten gemaakt van silicium. Maar deze spanning is wel gelijkaardig aan diegene nodig voor ander hitte-bestendige toestellen. En de spanning waarbij deze NEMS schakelen kan verder naar beneden gehaald worden door alles kleiner te gaan maken.

Het prototype werd uitvoerig getest en na 21 miljard schakelcyclussen op kamertemperatuur ging het stuk doordat de ingeklemde ligger afkraakte. Bij een temperatuur van 500°C ging het prototype maar 2 miljard schakelcyclussen mee. Maar door het ontwerp van de ligger en de andere elementen te gaan aanpassen kan de levensduur nog veel verlengt worden.

via [physicsworld]