Eftersom konsumenter världen över har blivit alltmer beroende av elektronik, transistorn, en halvledarkomponent som är central för driften av dessa enheter, har blivit ett kritiskt ämne för vetenskaplig forskning. Under de senaste decennierna har forskare och ingenjörer har kunnat både krympa den genomsnittliga transistorstorleken och dramatiskt minska produktionskostnaderna. Den nuvarande generationen smartphones, till exempel, bygger på chips som var och en har över 3,3 miljarder transistorer.

De flesta transistorer är kiselbaserade och kiseltekniken har drivit datorrevolutionen. I vissa applikationer, dock, kisel har betydande begränsningar. Dessa inkluderar användning i kraftfulla elektroniska enheter och i tuffa miljöer som motorn i en bil eller under kosmisk strålebombardering i rymden. Kiselanordningar är benägna att vackla och misslyckas i svåra miljöer.

Att ta itu med dessa utmaningar, Jiangwei Liu, från Japans nationella institut för materialvetenskap, och hans kollegor beskriver nytt arbete med att utveckla diamantbaserade transistorer den här veckan i tidningen Tillämpad fysikbokstäver .

"Kiselbaserade transistorer lider ofta av hög kopplingsförlust under kraftöverföring och misslyckas när de utsätts för extremt höga temperaturer eller strålningsnivåer, "Liu sa." Med tanke på vikten av att utveckla enheter som använder mindre ström och fungerar under hårda förhållanden, det har varit stort intresse inom det bredare vetenskapliga samfundet för att bestämma ett sätt att bygga transistorer som använder tillverkade diamanter, som är ett mycket hållbart material. "

Och med just detta intresse i åtanke, laget utvecklade en ny tillverkningsprocess med diamant, föra "härdad elektronik" närmare förverkligandet.

"Tillverkade diamanter har ett antal fysiska egenskaper som gör dem mycket intressanta för forskare som arbetar med transistorer, "sa Yasuo Koide, en professor och seniorvetare vid National Institute for Materials Science som leder forskargruppen. "Det är inte bara fysiskt hårda material, de leder också värme väl vilket gör att de klarar höga energinivåer och fungerar i varmare temperaturer. Dessutom, de kan tåla större spänningar än befintliga halvledarmaterial innan de går sönder. "

Forskargruppen fokuserade sitt arbete på förbättringar av metalloxid-halvledarfältseffekt-transistorer (MOSFET), en typ av transistor som vanligtvis används inom elektronik. Ett av särdragen hos transistorer är införandet av en isolerad terminal som kallas en "grind" vars ingångsspänning avgör om transistorn kommer att leda elektricitet eller inte.

"En av utvecklingen som gör vår tillverkningsprocess innovativ är att vi deponerade yttriumoxid (Y2O3) isolator direkt på diamantens yta [för att bilda porten], "sa Liu." Vi tillsatte yttriumoxiden till diamanten med en teknik som kallas elektronstrålindunstning, vilket innebär att man använder en elektronstråle för att omvandla yttriumoxidmolekyler från fast tillstånd till gasformigt tillstånd så att de kan fås att täcka en yta och stelna på den. "

Enligt Liu, yttriumoxid har många önskvärda egenskaper, inklusive hög termisk stabilitet, stark affinitet till syre och brett bandgap energi, vilket bidrar till dess kapacitet som isolator.

"En annan innovation var att yttriumoxiden deponerades som ett enda lager, "Liu sa." I vårt tidigare arbete, vi har skapat oxid-skikt, men ett enda lager är tilltalande eftersom det är mindre svårt och billigare att tillverka. "

Liu och hans kollegor hoppas kunna förfina sin förståelse av elektronrörelser genom diamanttransistorn med framtida forskningsprojekt.

"Vi arbetar med en typ av tillverkad diamant som har ett väteskikt på ytan. En av de viktiga utmaningarna framöver är att förstå mekanismen för elektronledning genom detta kol-väte-lager, "sa Liu.

"I sista hand, vårt teams mål är att bygga integrerade kretsar med diamanter, "Sa Koide." Med tanke på detta, Vi hoppas att vårt arbete kan stödja utvecklingen av energieffektiva enheter som kan fungera under extrema värme- eller strålningsförhållanden. "