挑戰500°C高溫：氮化鎵開創太空與地面高溫環境新應用 - HonWay Materials

在對極端高溫環境的探索中，氮化鎵（GaN）憑藉其卓越的熱穩定性與電子性能，成為繼矽材料之後的有力競爭者。

近期，麻省理工學院（MIT）與多家機構合作的最新研究證實，即使在高達攝氏 500 度的極端條件下，氮化鎵及其歐姆接觸仍能維持結構穩定，為未來包括金星表面任務在內的高溫應用帶來新希望。

金星探索的關鍵材料

金星表面溫度可達攝氏 480 度，足以熔化鉛，使傳統的矽基電子設備無法長時間運作。這成為阻礙探測器長期登陸金星的重大瓶頸。然而，氮化鎵的出現正逐漸改變這一現狀。雖然氮化鎵已廣泛應用於手機充電器和通訊設備，但科學界對其在超過攝氏 300 度的條件下的表現仍不甚了解。

在《應用物理快報》（Applied Physics Letters）發表的一項研究中，MIT 的研究團隊針對溫度對於氮化鎵裝置中的歐姆接觸（Ohmic contact）進行了深入分析。歐姆接觸作為連接半導體與外界電路的關鍵部件，其穩定性對整體裝置的可靠性至關重要。

研究人員驚訝地發現，氮化鎵裝置在攝氏 500 度下持續運行 48 小時後，接觸結構並未出現明顯退化，顯示出優異的熱穩定性。這一結果大大增強了其在金星表面等極端環境下的應用潛力。

※知識小補充:歐姆接觸（Ohmic contact）是當金屬與半導體接觸時，如果它們之間的電流和電壓呈線性且對稱關係，這種接觸就稱為歐姆接觸。如果電流-電壓關係不是線性的，就叫做蕭特基接觸。

半導體裝置的性能往往受限於接觸電阻，特別是在裝置尺寸縮小時更為明顯。傳統上，接觸電阻在室溫條件下已有較完整的理解，但高溫下的行為仍屬未知領域。

MIT 團隊採用兩種主流方法增加歐姆接觸：

後者由俄亥俄州立大學領導，雖在室溫下已證實有效，此研究則首次驗證其在高溫下同樣具備穩定表現。

為全面了解材料性能，研究人員在 MIT.nano 建構了名為「傳輸長度方法結構」的裝置，並進行短期與長期測試。

短期測試：在萊斯大學由趙教授領導，將裝置置於熱卡盤中迅速加熱至 500 度以觀察即時電阻變化。

長期測試：在 MIT先前開發的專用熔爐中進行，持續監測長達 72 小時。

研究結果顯示，在 48 小時內接觸電阻保持穩定，性能類似於室溫下表現。儘管 48 小時後開始出現降解跡象，但透過添加保護絕緣層等策略，研究人員正努力延長材料壽命並提升穩定性。

本研究的成果為開發能夠在金星表面長時間運作的高溫氮化鎵電晶體奠定了堅實基礎。

這些技術未來不僅可用於行星探測，還將廣泛應用於地球上的極端環境，如地熱能源開發與噴射發動機監測等。

MIT EECS 研究生暨論文第一作者 John Niroula 表示：「我們並不急於直接製造氮化鎵電晶體，而是從基礎層面出發，逐步建立對材料與接觸在高溫下行為的理解，進而推進整體電子系統的設計與開發。」

此研究展現了材料級至系統級整合研究的重要性，預示著微電子技術在高溫環境下的應用將邁入新紀元。

文獻參考

足以承受金星近 500℃ 高溫，氮化鎵電子設備增強太空探索能力
Electronics That Defy Venus’ Heat: How Gallium Nitride Could Revolutionize Space Exploration
“AlGaN/GaN 異質結構的再生和合金化歐姆接觸的高溫穩定性高達 500 °C”，作者：John Niroula、Qingyun Xie、Nitul S. Rajput、Patrick K. Darmawi-Iskandar、Sheikh Ifatur Ramadilla、Shisong Luo、Rafid Ssanoo、Yowhiu、Ptonga、Ptonga、Hsano、Rafida） K. Micale、Nadim Chowdhury、Yuji Zhao、Siddharth Rajan 和 Tomás Palacios，2024 年 5 月 15 日，《應用物理快報》。 DOI：10.1063/5.0191297

(首圖來源:AI生成)

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