Pesquisadores da KAUST descobriram que dispositivos eletrônicos baseados em óxido de gálio podem operar em temperaturas ainda mais baixas do que as encontradas no espaço sideral. Essa característica pode ser explorada em aplicações e ambientes com temperaturas extremas, como computação quântica e exploração espacial.
Fonte da imagem: KAUST
Chips de computador, sensores e outros sistemas eletrônicos são baseados em semicondutores. Esses materiais possuem uma lacuna de energia, conhecida como banda proibida, que os elétrons precisam transpor para conduzir eletricidade. No entanto, em baixas temperaturas, os elétrons ficam presos e incapazes de se mover. Esse fenômeno é chamado de congelamento.
“Na prática, a maioria dos dispositivos eletrônicos convencionais começa a apresentar falhas em temperaturas abaixo de 100 K (-173 °C)”, afirma Vishal Khandelwal, um dos pesquisadores do novo estudo experimental liderado por Xiaohang Li.
Como os componentes eletrônicos são expostos a temperaturas muito mais baixas — no espaço ou em computadores quânticos, que operam a apenas 4 K (-269,15 °C) — eles exigem sistemas de gerenciamento térmico, o que aumenta o custo, o volume e a complexidade.
A equipe da KAUST pesquisa há tempos o semicondutor de banda proibida ultralarga óxido de gálio beta (β-Ga₂O₃), que já demonstrou resistência à radiação e a altas temperaturas. Graças à sua ampla banda proibida, os dispositivos à base de óxido de gálio apresentam menor corrente de fuga e continuam a operar mesmo a temperaturas de 500 °C, superando significativamente as capacidades dos circuitos de silício convencionais.
Estudos anteriores também mostraram que esse material não é suscetível ao efeito de congelamento característico de outros semicondutores. Para explorar esse efeito, os pesquisadores criaram dois dispositivos baseados em óxido de gálio beta dopado com átomos de silício. Esse dopante confere aos dispositivos…elétrons, que permitem o fluxo de corrente.
O primeiro dispositivo foi um transistor de efeito de campo (FinFET) com canais ranhurados, tornando-o mais potente e estável do que os transistores de efeito de campo convencionais. O segundo componente lógico, chamado inversor (também conhecido como porta NOT), é um componente fundamental dos circuitos de computador. Ambos os dispositivos demonstraram operação confiável em temperaturas tão baixas quanto 2 K (–271,15 °C).
Nessa temperatura, praticamente nenhuma energia térmica é necessária para ajudar os elétrons a migrarem para a banda de condução do óxido de gálio. “Em vez disso, os elétrons saltam através da ‘banda de impurezas’ criada pelos átomos de silício, permitindo que o dispositivo conduza corrente”, explica Lee.
Embora esses não sejam os primeiros dispositivos eletrônicos operando a 2 Kelvin, esta é a primeira demonstração de um semicondutor de banda proibida ultralarga, usado para criar transistores e inversores lógicos em temperaturas tão baixas. “De um ponto de vista prático, isso possibilita a criação de circuitos criogênicos compactos a partir de um único material”, diz Li. Isso poderia potencialmente simplificar a eletrônica em computadores quânticos. “A maior promessa está no espaço. As sondas espaciais enfrentam mudanças extremas de temperatura, então dispositivos baseados em materiais capazes de operar na faixa de alguns kelvins a centenas de kelvins, como o óxido de gálio beta, poderiam reduzir a necessidade de blindagem térmica volumosa”, acrescenta o cientista.
Os pesquisadores planejam usar o óxido de gálio beta para criar uma série de outros dispositivos, incluindo os de radiofrequência.Transistores, fotodetectores e células de memória. “Demonstramos os componentes básicos. Agora precisamos ampliá-los para criar chips criogênicos complexos e expandir os limites de desempenho nesse regime de temperaturas ultrabaixas”, afirma Lee.