Санта-Барбара, Калифорния. Умеш Мишра, профессор электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), объединился со своим старым наставником и научным руководителем в Корнелле Лестером Истманом, чтобы написать статья о перспективах транзистора из нитрида галлия. Статья «Самый прочный транзистор» стала главной темой майского номера журнала IEEE Spectrum.
Исследовательские группы Мишры и Истмана создали полевой транзистор (FET) из нитрида галлия. Мишра также использовал этот наиболее многообещающий составной полупроводник для создания биполярного транзистора. Это была первая исследовательская группа, успешно сделавшая это.
Выдающееся положение нитрида галлия как наиболее многообещающего составного полупроводника в настоящее время в значительной степени связано с работой одного человека - коллеги Мишры по UCSB, профессора материалов Шуджи Накамура, который использовал нитрид галлия для создания первых синих, зеленых, ультрафиолетовых, и белые светоизлучающие диоды (СИД), а также синий лазер.
Прорывная работа Накамуры с этим материалом началась в конце 1980-х годов и была сосредоточена на его оптических или светоизлучающих свойствах. Мишра и его коллега из Калифорнийского университета в области материалов, профессор Стивен ДенБаарс, были в числе первых исследователей, работавших над созданием электронных устройств из этого материала.
Исследования нитрида галлия ведутся с 1930-х годов. Мишра говорит, что серьезная работа над материалом велась с 1960-х годов. Что отличало Накамуру от всех других пионеров нитрида галлия? Мишра сказал: «Шуджи удалось разглядеть лес за деревьями. Другие продолжали застревать на множестве научных проблем. Шуджи достиг Святого Грааля синего светодиода, решая критические проблемы, а также избегая других. Он не застрял! Все остальные застряли."
Мишра провел семинар 10 мая для исследователей из Санта-Барбары, которые являются участниками Калифорнийского института наносистем ([CNSI] одного из Калифорнийских институтов науки и инноваций, инициированного губернатором Греем Дэвисом, чтобы заложить основу для будущего экономики штата.). Мишра предсказал там, что исследования, направленные на использование нитрида галлия для электронных устройств, будут опираться на достижения, сделанные исследователями оптики. Огромные рыночные перспективы оптических устройств - например, замена ламп накаливания и красных лазеров в таких запоминающих устройствах, как компакт-диски и DVD-диски, - стимулировали и ускоряли эти исследования.
В статье Spectrum излагаются перспективы развития электроники на основе нитрида галлия. Перспективы не такие блестящие, как замена лампы накаливания, изобретенной Томасом Эдисоном. Другими словами, транзистор из нитрида галлия не является заменой вездесущим кремниевым полевым транзисторам, из которых состоят компьютеры. Целью замены транзисторов является не кремний, а арсенид галлия, который приобрел известность в 1990-х годах благодаря микроволновой передаче от базовой станции к сотовому телефону и другим беспроводным технологиям..
Нитрид галлия обладает широкой запрещенной зоной между валентной зоной и зоной проводимости полупроводника. (Валентная зона и зона проводимости являются самыми внешними из энергетических уровней, на которых электроны вращаются вокруг ядер атомов; зона проводимости является самой внешней.) Эта широкая запрещенная зона отвечает за способность материалов излучать высокочастотный синий и ультрафиолетовый свет.
Связь между атомами азота и галлия в элементарной ячейке нитрида галлия очень тесная. Прочность связи между отдельными атомами определяет ширину зазора между валентной зоной и зоной проводимости полупроводника. Чем прочнее связи, тем больше расстояние между валентной зоной и зоной проводимости и тем больше ширина запрещенной зоны.
Чем больше ширина запрещенной зоны, тем большее напряжение можно приложить, а это ключевой момент для электронных устройств. Мощность есть произведение напряжения и силы тока. Нитрид галлия позволяет создать транзистор, который может работать не только с высоким напряжением, но и с большим током. Таким образом, произведение - мощность - увеличивается в 10-100 раз по сравнению с арсенидом кремния или галлия.
Для устройства связи более высокая мощность обеспечивает один из двух результатов: большую дальность передачи или меньшие передающие устройства. Ценность большей дальности действия очевидна для военного применения - т. е. обнаружение вражеского самолета на расстоянии 100 миль обеспечивает преимущество жизни над смертью.
Чем меньше устройство, тем больше пропускная способность устройства. Объясняет Мишра: «При такой же мощности, но меньшем размере устройство имеет меньшую емкость - это, по сути, то, сколько «налога» [хранения заряда] вы должны заплатить устройству, прежде чем оно выпустит микроволны. Чем меньше устройство, тем меньше налог и тем быстрее из него может выйти энергия. А широкополосный доступ означает высокочастотные микроволны.
"Люди хотят делать все по телефону", - сказал Мишра. «Нитрид галлия может вывести беспроводную связь на новый уровень - загрузка видео, например, с молниеносной скоростью. С транзисторами из нитрида галлия появится совершенно новый набор функций».
Транзисторы из нитрида галлия, по словам Мишры, будут очень похожи на транзисторы, сделанные из других полупроводников, но будут работать намного лучше. «Это всегда привлекательно для принятия технологии, потому что вам не нужно заново обучать людей тому, как ее использовать. внутри будет работать намного лучше."
Мишра предсказывает, что нитрид галлия сделает для беспроводной передачи то же, что он сделал для оптоэлектроники: вызовет революцию.
Этот прогноз основан, конечно же, на инсайдерских знаниях. На семинаре CNSI 10 мая в Калифорнийском университете Мишра намекнул на драматические разработки полевых транзисторов на основе нитрида галлия, которые могут появиться в его лаборатории, скажем, через 18 месяцев: «стабильное устройство с высокими характеристиками, работающее в соответствии со спецификациями».
Он предвидит выход на рынок транзистора из нитрида галлия в беспроводной базовой станции, которая посылает сигналы на отдельные сотовые телефоны. Следующим шагом будет использование этих транзисторов в сотовых телефонах. Результаты, по его словам, могут быть волшебными: универсальное коммуникационное устройство размером с телефон или наручные часы для разговоров, серфинга, электронной почты и просмотра видео. Все, кроме просмотра видео, теперь имеет место, конечно, но действительно действенные слова, которые Мишра продолжает использовать, - это «молниеносная скорость», результат высокой пропускной способности беспроводной сети.
Отвечая на вопрос о тех разработках в его лаборатории, о которых он упоминал на семинаре CNSI, Мишра использует бейсбольную метафору: «Я верю в турниры Большого шлема. Сначала мы должны загрузить базы, а затем мы должны сделать хоум-ран. Удар по Гомеру с загруженными базами - это вид развития, который продвигает технологии вперед. Базы загружены. Теперь нам нужно совершить хоумран. Вот где мы думаем, что мы сейчас. Если нет, мы вычеркиваем. Это тоже часть игры. Но я оптимист."