能抵御金星热量的电子产品：氮化镓若何为太空探索带来变革

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缘故原由是，硅基电子设备无法在如此极度的温度下永劫光事情。

对付像金星探测这样的高温运用，研究职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旗子暗记塔，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事情极限。

在揭橥于《运用物理快报》（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。

研究职员创造，极度温度并没有对氮化镓材料或触点造成明显的降解。
他们惊异地创造，纵然在 500 摄氏度的高温下保持 48 小时，触点的构造仍旧无缺无损。

高温电子技能的未来发展方向

理解触点在极度温度下的性能，是该研究小组朝着开拓可在金星表面事情的高性能晶体管这一下一个目标迈出的主要一步。
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。

\"大众晶体管是大多数当代电子产品的核心，但我们不想直接制造氮化镓晶体管，由于可能会涌现很多问题。
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革。
我们将根据这些基本材料构件来设计我们的晶体管，\公众该论文的第一作者、电气工程与打算机科学（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Toms Palacios（Clarence J. LeBel教授、微系统技能实验室主任、电子研究实验室成员）以及互助者、美国技能创新研究所的Nitul S. Rajput。
LeBel 教授、微系统技能实验室主任和电子学研究实验室成员 Toms Palacios，以及互助者阿拉伯联合酋长国技能创新研究所的 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能大学的 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革的理解方面，氮化镓仍比硅掉队几十年。
个中一个特性便是电阻，即电流利过材料时的阻力。

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。
打仗电阻是由这些电气连接造成的，无论器件的大小如何，打仗电阻都是固定不变的。
过大的打仗电阻会导致更高的功率耗散和更慢的电子电路事情频率。

\"大众特殊是在尺寸变小的情形下，设备的性能每每会受到打仗电阻的限定。
\"大众Niroula 说：\公众人们对室温下的打仗电阻有比较深入的理解，但没有人真正研究过当温度升高到 500 度会发生什么。
\公众

测试方法和结果

在研究中，研究职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构造，由一系列电阻器组成。
通过这些装置，他们可以丈量材料和触点的电阻。

他们利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，然后利用高温技能在其位置上重新成长出高掺杂氮化镓，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：\"大众在室温下，再生方法常日会降落打仗电阻，但我们想看看这些方法在高温下是否仍旧有效。
\"大众

高温下的稳定性和性能

他们通过两种办法对设备进行测试。
他们在莱斯大学的互助者（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，并立即丈量电阻。

在麻省理工学院，他们将设备放入该小组之前开拓的专用熔炉中，进行了更永劫光的实验。
他们将设备放置在炉内长达 72 小时，以丈量电阻随温度和韶光的变革情形。

麻省理工学院纳米研究所（Aubrey N. Penn）和技能创新研究所（Nitul S. Rajput）的显微镜专家利用最前辈的透射电子显微镜，不雅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。

\"大众我们原以为触点或氮化镓材料本身会显著退化，但我们创造情形正好相反。
用这两种方法制成的触点彷佛都非常稳定，\"大众Niroula 说。

虽然很难在如此高的温度下丈量电阻，但他们的研究结果表明，纵然在 500 度的高温下，打仗电阻彷佛也能保持稳定，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，但研究职员已经在努力提高其长期性能。
个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。

微电子技能的未来前景

今后，研究职员操持利用在这些实验中学到的知识开拓高温氮化镓晶体管。

\公众在我们小组，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取系统的方法。
在这里，我们一贯深入到材料层面来深入理解事物。
换句话说，我们通过设计、建模和繁芜的制造，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互助者建立了紧密的伙伴关系，\公众Xie 说。

编译自/ScitechDaily