研究人员研究用于极热环境下运行的电子设备的新型材料的特性

金星表面温度极高，最高可达480°C(足以熔化铅)，对人类和机器来说都是一个不适宜居住的地方。科学家至今还无法将探测车送上金星表面的原因之一是硅基电子设备无法在如此极端的温度下长时间运行。

对于金星探索等高温应用，研究人员最近转向了氮化镓，这是一种可承受500°或更高温度的独特材料。

这种材料已经用于一些地面电子设备，如手机充电器和手机信号塔，但科学家们并不清楚氮化镓器件在300°以上的温度下会如何表现，而300°是传统硅电子产品的运行极限。

在《应用物理快报》上发表的一篇新论文中，麻省理工学院和其他地方的科学家团队试图解答有关该材料在极高温度下的性质和性能的关键问题，这是一项多年研究的一部分。

他们研究了温度对氮化镓器件中欧姆接触的影响。欧姆接触是连接半导体器件与外界的关键元件。

研究人员发现，极端温度不会对氮化镓材料或触点造成严重损坏。他们惊讶地发现，即使在500°C下保持48小时，触点的结构仍然完好无损。

了解触点在极端温度下的表现是朝着该团队的下一个目标迈出的重要一步，即开发可在金星表面工作的高性能晶体管。这种晶体管也可以在地球上用于提取地热能或监测喷气发动机内部等电子设备。

“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，因为可能会出很多问题。我们首先要确保材料和触点能够存活，并弄清楚随着温度升高它们会发生多大的变化。

“我们将利用这些基本材料构建块来设计我们的晶体管，”电气工程与计算机科学(EECS)研究生兼论文第一作者JohnNiroula说道。

虽然氮化镓最近引起了广泛关注，但科学家对它的特性在不同条件下如何变化的理解仍然落后于硅几十年。其中一种特性就是电阻，即电流通过材料的流动。

器件的总电阻与其尺寸成反比。但半导体等器件具有将其连接到其他电子设备的触点。由这些电气连接引起的接触电阻无论器件尺寸如何都保持不变。接触电阻过大会导致电子电路的功率耗散增加和工作频率降低。

“尤其是当尺寸变小时，器件的性能往往最终受到接触电阻的限制。人们对室温下的接触电阻有相对较好的了解，但没有人真正研究过当温度升高到500°时会发生什么，”Niroula说。

在这项研究中，研究人员利用MIT.nano的设备制造了氮化镓器件，这种器件被称为传输长度法结构，由一系列电阻组成。这些器件使他们能够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器件添加欧姆接触。第一种方法是将金属沉积在氮化镓上，并将其加热至825°C并持续约30秒，这一过程称为退火。

第二种方法是去除大块的氮化镓，然后使用高温技术在其位置重新生长出高掺杂的氮化镓，这一过程由拉詹及其俄亥俄州立大学的团队领导。高掺杂材料含有额外的电子，有助于电流传导。

“再生长方法通常在室温下会降低接触电阻，但我们想看看这些方法在高温下是否仍然有效，”Niroula说。

全面的方法

他们用两种方式测试设备。以赵教授为首的莱斯大学合作者进行了短期测试，将设备放在温度高达500°C的热卡盘上，并立即测量电阻。

在麻省理工学院，他们进行了长期实验，将设备放入该团队之前开发的专用熔炉中。他们将设备放在里面长达72小时，以测量电阻随温度和时间的变化情况。

MIT.nano(AubreyN.Penn)和技术创新研究所(NitulS.Rajput)的显微镜专家使用最先进的透射电子显微镜观察了如此高的温度如何影响氮化镓和原子水平的欧姆接触。

“我们原本以为接触点或氮化镓材料本身会显著退化，但结果却恰恰相反。用这两种方法制作的接触点似乎都非常稳定，”Niroula说道。

虽然在如此高的温度下测量电阻很困难，但他们的结果表明，即使在500°的温度下，接触电阻似乎也能在约48小时内保持恒定。就像在室温下一样，再生长过程带来了更好的性能。

这种材料在炉中放置48小时后确实开始降解，但研究人员已开始着手提高其长期性能。其中一项策略是添加保护绝缘体，以防止材料直接暴露在高温环境中。

展望未来，研究人员计划利用这些实验所获得的知识来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，以推动微电子技术的前沿发展，同时采用从材料级到电路级的跨层次系统方法。在这里，我们一直深入到材料层面，以深入了解事物。

“换句话说，我们通过设计、建模和复杂的制造，将器件级的进步转化为高温电子产品的电路级影响。我们也非常幸运，在这一过程中与我们的长期合作伙伴建立了密切的伙伴关系，”谢说。