由于氮化镓能够承受 500摄氏度以上的高温，研究人员正将氮化镓用于金星探测等高温应用领域。麻省理工学院和其他机构最近的一项研究表明，这种材料及其欧姆触点即使在高温下也能保持结构稳定。这项研究包括制造氮化镓器件，并在高温条件下对其进行测试，结果表明，未来极端环境下的电子器件大有可为。
金星探索与氮化镓
在炙热的金星表面，温度可高达摄氏 480 度/华氏 900 度，足以融化铅。因此，金星对人类和机器来说都是一个荒凉的地方。科学家至今未能将漫游车送往金星表面的一个原因是，硅基电子设备无法在如此极端的温度下长时间工作。
对于像金星探测这样的高温应用，研究人员最近转向了氮化镓，这是一种能承受 500 度或更高温度的独特材料。
这种材料已被用于一些地面电子设备，如手机充电器和手机信号塔，但科学家们对氮化镓设备在超过 300 度的温度下的表现还没有很好的把握，而这正是传统硅电子设备的工作极限。
在发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）的一篇新论文中，来自麻省理工学院和其他大学的科学家团队试图回答有关这种材料在极高温下的特性和性能的关键问题。
他们研究了温度对氮化镓器件中欧姆触点的影响。欧姆触点是半导体器件与外界连接的关键部件。
研究人员发现，极端温度并没有对氮化镓材料或触点造成明显的降解。他们惊讶地发现，即使在 500 摄氏度的高温下保持 48 小时，触点的结构仍然完好无损。
高温电子技术的未来发展方向
了解触点在极端温度下的性能，是该研究小组朝着开发可在金星表面工作的高性能晶体管这一下一个目标迈出的重要一步。这种晶体管也可用于地球上的电子设备，如提取地热能或监测喷气发动机内部。
"晶体管是大多数现代电子产品的核心，但我们不想直接制造氮化镓晶体管，因为可能会出现很多问题。我们首先要确保材料和触点能够存活，并弄清楚它们在温度升高时会发生多大变化。我们将根据这些基本材料构件来设计我们的晶体管，"该论文的第一作者、电气工程与计算机科学（EECS）研究生约翰-尼鲁拉（John Niroula）说。
他的合著者包括：谢青云（Qingyun Xie）博士（24岁）、袁梦阳（Mengyang Yuan）博士（22岁）、电子工程与电子科学系研究生Patrick K. Darmawi-Iskandar和Pradyot Yadav、材料科学与工程系研究生Gillian K. Micale、资深作者Tomás Palacios（Clarence J. LeBel教授、微系统技术实验室主任、电子研究实验室成员）以及合作者、美国技术创新研究所的Nitul S. Rajput。LeBel 教授、微系统技术实验室主任和电子学研究实验室成员 Tomás Palacios，以及合作者阿拉伯联合酋长国技术创新研究所的 Nitul S. Rajput、俄亥俄州立大学的 Siddharth Rajan、莱斯大学的赵玉吉和孟加拉国工程技术大学的 Nadim Chowdhury。
耐热性能
虽然氮化镓最近引起了广泛关注，但在科学家对其特性在不同条件下如何变化的理解方面，氮化镓仍比硅落后几十年。其中一个特性就是电阻，即电流通过材料时的阻力。
设备的总电阻与其尺寸成反比。但是，像半导体这样的设备都有与其他电子元件相连的触点。接触电阻是由这些电气连接造成的，无论器件的大小如何，接触电阻都是固定不变的。过大的接触电阻会导致更高的功率耗散和更慢的电子电路工作频率。
"特别是在尺寸变小的情况下，设备的性能往往会受到接触电阻的限制。"Niroula 说："人们对室温下的接触电阻有比较深入的了解，但没有人真正研究过当温度升高到 500 度会发生什么。"
测试方法和结果
在研究中，研究人员利用麻省理工学院纳米研究所的设备制造了氮化镓器件，这种器件被称为转移长度法结构，由一系列电阻器组成。通过这些装置，他们可以测量材料和触点的电阻。
他们使用两种最常见的方法为这些设备添加欧姆触点。第一种方法是在氮化镓上沉积金属，然后将其加热到 825 摄氏度，持续约 30 秒，这一过程称为退火。
第二种方法是移除大块的氮化镓，然后使用高温技术在其位置上重新生长出高掺杂氮化镓，这一过程由俄亥俄州立大学的拉詹和他的团队领导。高度掺杂的材料含有额外的电子，有助于电流传导。
Niroula 说："在室温下，再生方法通常会降低接触电阻，但我们想看看这些方法在高温下是否仍然有效。"
高温下的稳定性和性能
他们通过两种方式对设备进行测试。他们在莱斯大学的合作者（由赵领导）进行了短期测试，将设备放在高达 500 摄氏度的热卡盘上，并立即测量电阻。
在麻省理工学院，他们将设备放入该小组之前开发的专用熔炉中，进行了更长时间的实验。他们将设备放置在炉内长达 72 小时，以测量电阻随温度和时间的变化情况。
麻省理工学院纳米研究所（Aubrey N. Penn）和技术创新研究所（Nitul S. Rajput）的显微镜专家使用最先进的透射电子显微镜，观察如此高的温度如何在原子层面上影响氮化镓和欧姆触点。
"我们原以为触点或氮化镓材料本身会显著退化，但我们发现情况恰恰相反。用这两种方法制成的触点似乎都非常稳定，"Niroula 说。
虽然很难在如此高的温度下测量电阻，但他们的研究结果表明，即使在 500 度的高温下，接触电阻似乎也能保持稳定，持续约 48 小时。就像在室温下一样，再生过程带来了更好的性能。
这种材料在熔炉中放置 48 小时后确实开始降解，但研究人员已经在努力提高其长期性能。其中一项策略是添加保护性绝缘体，使材料不直接暴露在高温环境中。
微电子技术的未来前景
今后，研究人员计划利用在这些实验中学到的知识开发高温氮化镓晶体管。
"在我们小组，我们专注于创新的器件级研究，以推动微电子学的前沿发展，同时在从材料级到电路级的各个层次上采用系统的方法。在这里，我们一直深入到材料层面来深入理解事物。换句话说，我们通过设计、建模和复杂的制造，将器件层面的进步转化为电路层面对高温电子学的影响。在这一过程中，我们还非常幸运地与长期合作者建立了紧密的伙伴关系，"Xie 说。
编译自/ScitechDaily