Алмазная электроника заменит ненадежный кремний

Американцы намерены изготавливать электронные устройства на основе тонких пленок алмаза. Новая технология позволит использовать их практически везде, в том числе в космосе, в условиях высокой радиации и при экстремальных температурах.

Команда инженеров из Университета Вандербильта разработала технологию создания микроэлектронных устройств на основе тонких пленок алмаза. В отличие от традиционных кремниевых устройств, новые алмазные элементы способны выдерживать эксплуатацию в экстремальных условиях.

Ученым уже удалось сделать по новой технологии основные компоненты компьютерных чипов и электронных схем: алмазные транзисторы и логические ворота, которые являются ключевыми элементами компьютеров.

Электроника на основе алмаза сможет работать на более высоких скоростях, при этом потребляя меньше энергии. Кроме того, алмазные микросхемы более устойчивы к воздействию радиации и высоким температурам. Даже несмотря на то, что новая технология предполагает использование алмазной пленки, она не является непомерно дорогой для широкого распространения: из одного карата алмаза можно изготовить около одного миллиарда устройств.


Изображение алмазного триода, сделанное электронным микроскопом

Алмазная пленка создается из водорода и метана с использованием метода, называемого химическое осаждение из газовой фазы, который широко используется в микроэлектронике. Этот процесс не очень дорогостоящий - тонкое покрытие из искусственного алмаза стоит менее одной тысячной от цены ювелирных алмазов. Поэтому процесс широко используется для создания прочных покрытий на режущих инструментах, шестернях сверхточных механизмов и т.п. Потенциальные области применения новой алмазной электроники очень широки: военная сфера, работа в космосе и условиях высокой радиации, сверхскоростные переключатели, датчики с ультранизким энергопотреблением работающие при экстремальных температурах от -150 до +500 градусов Цельсия.

Наноалмазы могут применяться в гибридных схемах со старомодными вакуумными лампами и современной твердотельной микроэлектроникой, объединяя лучшие качества обеих технологий. Тонкая алмазная пленка может наноситься на слой диоксида кремния и помещаться в вакуум. В обычных кремниевых устройствах электроны сталкиваются с атомами полупроводника и нагревают микросхему, новые алмазные вакуумные транзисторы смогут проводить столько же электронов, но выделяют намного меньше тепла. В гибридной микросхеме электроны движутся в вакууме между компонентами из наноалмазов, а не через твердый материал, как в обычных микроэлектронных устройствах. Таким образом не только устраняется опасность перегрева, но и появляется возможность снизить энергопотребление до уровня одной десятой от кремниевого аналога.

Для внедрения алмазных электросхем сегодня особых препятствий нет: процесс использует существующие промышленные технологии. С вакуумом тоже проблема не возникнет: в настоящее время полупроводниковые чипы запечатываются в корпуса с инертным газом аргоном. Эта упаковка и металлические уплотнения, используемые в военных микросхемах, достаточно прочны, чтобы удерживать вакуум на протяжении веков.