Forscherinnen und Forscher haben einen Feldeffekttransistor (JFET) aus Diamant mit einer Stromleitung von 50 mA hergestellt. Laut dieser in der Zeitschrift IEEE Electron Device Letters veröffentlichten Arbeit ist das fünfmal mehr als der bisherige Rekord für einen Transistor, bei dem die Leitung im gesamten Volumen erfolgt.
Die meisten Transistoren bestehen aus Silizium, Siliziumkarbid oder Galliumnitrid. Diamant weist theoretisch bessere Eigenschaften als all diese Materialien auf, ist jedoch schwer zu dotieren, um ihn leitfähig zu machen, und sein künstliches Wachstum bleibt schwer zu kontrollieren. Dennoch werden seit etwa dreißig Jahren Diamant-Transistoren entwickelt, deren Leistung sich stetig verbessert.
Langfristig könnten solche Bauteile hervorragende Komponenten in Umrichtern für Elektrofahrzeuge und die Luftfahrt sein. In den meisten Fällen leiten Diamant-Transistoren den Strom nur an ihrer Oberfläche und nicht in ihrem Volumen, was Grenzen in Bezug auf die Kontrolle der Leitfähigkeit, die Reproduzierbarkeit der Herstellung und die Zuverlässigkeit setzen kann. Transistoren mit Volumenleitung bieten eine bessere Skalierbarkeit, anstatt auf winzige Prototypen beschränkt zu bleiben, aber ihre Leitfähigkeit bleibt gering und überschreitet nicht zehn Milliampere (mA).
Forscherinnen und Forscher des Institut Néel (CNRS), des Laboratoire plasma et conversion d'énergie (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Univ. Toulouse) und des Startups DIAMFAB (Frankreich) haben einen Diamant-Transistor entwickelt, der eine rekordverdächtige Volumenstromleitung von 50 mA erreicht.
Das Bauteil ist ein Feldeffekttransistor (JFET) mit Volumenleitung, ein Modell, das aus drei Anschlüssen besteht: Gate, Drain und Source. Dem Team gelang es, homogene Diamantschichten, hier mit Bor dotiert, ohne schädliche Defekte herzustellen. Dadurch konnten sie das nutzbare Volumen des Transistors und seines Gates erhöhen, das mit 24 parallelen Fingern 14,7 mm erreicht. Der Transistor ist somit kein einfacher Miniaturdemonstrator mehr, sondern ein wirklich einsetzbares Bauteil.
a) Querschnittsdiagramm des Transistors, b) Draufsicht unter dem optischen Mikroskop.
© Michez et al.
Die Wissenschaftler planen nun, das Design und die Herstellung dieser Transistoren zu verbessern, insbesondere um ihre Spannungsfestigkeit, also ihre Fähigkeit, den Strom auf Befehl zu blockieren, zu entwickeln. Anschließend sollen ihre Leistungen in anwendungsnäheren Umgebungen getestet werden. Schließlich werden sich die Forscherinnen und Forscher einer anderen Transistorarchitektur zuwenden: den Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET).
Referenzen:
Over 50 mA Current in Interdigitated Diamond Field Effect Transistor.
Damien Michez, Juliette Letellier, Imane Hammas, Julien Pernot, Nicolas C. Rouger.
IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no. 11, pp. 2058-2061, Nov. 2024.
https://doi.org/10.1109/LED.2024.3453504
Artikel verfügbar in den Open-Access-Archiven Arxiv und HAL