Kretsar som tål 500 grader

Venusprojektet startade i år och ska hålla på i fem år och under den tiden har KTH lovat att demonstrera alla viktiga byggblock till ett mätsystem som man skulle kunna skicka till Venus.

– Sponsorerna har inga pengar för att faktiskt skicka projektet till Venus, utan vi får testa på jorden. Senare kommer vi att få lifta med någon annan organisation som ska dit. Nasas koncept är att skicka dit ett kylskåp för komponenterna, men vi tror på att arbeta direkt i utomhustemperaturen.

Forskarna har börjat med enkla byggblock och avser att nå fram till en mikroprocessor. De blir särskilt lämpade för rymd, för utöver temperaturegenskaperna är kiselkarbid väldigt strålningståligt och klarar höga genombrottsspänningar, på kilovoltnivå.

Ett av världens hårdaste material

Kiselkarbid, mera känt som karborundum, är ett av de hård­aste material man känner till. Hårdheten är 9,5 på Mohs skala, där diamant är 10. Det är svårt, men inte omöjligt, att ritsa i kiselkarbid med en ritspets av hårdmetall.
Materialet används främst som slipmedel och bromsbelägg, men även i raketmotorer och skottsäkra västar. Bilden visar de båda formerna, en slipsten och en ritsad flisa av en halvledarskiva i 4H kiselkarbid, tillsammans med ritspetsen.



Materialet känns och ser ut ungefär som glas, men där tar likheterna slut. Smältpunkten är fantastiska 2 730 grad­er Celsius.

Molekylen består av en kiselatom omgiven av tre kol­atomer. Molekylerna packar sig i kristaller, på ett av tre sätt, kallade polytyper med namnen 2H, 4H och 6H, beroende på hur kolatomerna kilar in sig mellan varandra. För halvledarbruk använder man nästan bara 4H-polytypen.

Eftersom molekylerna är så tätt packade kan bara små atomer komma i fråga som dopämnen, som kväve, fosfor, aluminium eller bor, som kan slinka in emellan kiselkarbidmolekylerna.

Materialet dopat med aluminium eller bor blir supraledande vid 1,5 Kelvin.
Rent kiselkarbid används även som smyckesten, för det är svårt att skilja från diamant.

Motstånd måste finnas i alla kretsar. Så här kan 47 ohm se ut, utfört i kiselkarbid. Måtten är cirka 40 gånger 120 mikrometer och tjockleken totalt 3,5 mikrometer.

Ledarmönstrets långtidsstabilitet är 15 minuter, det är ett problem vid 600 grader Celsius. Aluminiumledare tenderar att kollapsa helt när de utsätts för strömmar i storleksordningen 40 milliampere (= 10^4 ampere per kvadratmillimeter), som på den här bilden. Platina har bättre egenskaper.

Tillverkningen av kiselkarbid sker i ett flertal steg, i olika kammare, etsare, ugnar och reaktorer. Från tom wafer till färdig krets tar det cirka en månad. Ledarmönstret skapas i en sputterkammare som den här, där man kan lägga på aluminium, nickel eller platina efter behov i skikt i nanometerklassen.