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極度に高温の環境での探査において、窒化ガリウム (GaN) は、その優れた熱安定性と電子特性により、シリコン材料に次ぐ強力な競争相手となっています。
最近、マサチューセッツ工科大学（MIT）が複数の研究機関と共同で行った最新の研究により、窒化ガリウムとそのオーム接点は摂氏500度までの極限条件下でも構造的安定性を維持できることが確認され、金星表面へのミッションを含む将来の高温アプリケーションに新たな希望をもたらしています。
カタログ
金星探査の主要材料
金星の表面温度は480度にも達し、鉛を溶かし、従来のシリコンベースの電子機器が長期間にわたって動作できなくなるほどである。これは、金星への探査機の長期着陸を妨げる大きなボトルネックとなっている。しかし、窒化ガリウムの出現により、この状況は徐々に変化しつつあります。 GaN は携帯電話の充電器や通信機器に広く使用されていますが、科学界では 300 度を超える条件下での GaN の性能についてまだ十分に理解されていません。
研究により窒化ガリウムの高温特性が明らかに
『Applied Physics Letters』に掲載された研究で、MITの研究チームは、窒化ガリウムデバイスのオーミック接触に対する温度の影響について詳細な分析を実施しました。半導体と外部回路を接続する重要な部品として、オーミック接触の安定性はデバイス全体の信頼性にとって非常に重要です。
研究者たちは、GaN デバイスを 500 ℃ で 48 時間連続動作させた後でも、接触構造に明らかな劣化が見られず、優れた熱安定性を示したことに驚きました。この結果により、金星の表面などの極限環境での応用の可能性が大きく高まります。
※補足知識：オーミック接触とは、金属と半導体が接触しているとき、それらの間の電流と電圧が直線かつ対称である場合、この接触をオーミック接触といいます。電流と電圧の関係が直線でない場合は、ショットキー接触と呼ばれます。
抵抗挙動と接触技術の改善
半導体デバイスの性能は、特にデバイスの寸法が縮小するにつれて、接触抵抗によって制限されることが多くなります。従来、接触抵抗は室温ではよく理解されていましたが、高温でのその挙動は不明のままでした。
MIT チームは、オーム接触を高めるために主に 2 つのアプローチを採用しました。
- 金属はGaN上に堆積され、高温で焼鈍される。
- この方法は、GaN の大きな塊を除去し、その後、高濃度ドープ GaN を再成長させて電子伝導効率を向上させるというものです。
オハイオ州立大学が主導する後者は室温で効果があることが示されていたが、この研究は高温でも安定していることを初めて検証した。
高度なテストと長期安定性の検証
材料の性能を完全に理解するために、研究者らはMIT.nanoに「転送長さ法構造」と呼ばれる装置を構築し、短期および長期のテストを実施した。
短期テスト: ライス大学の Zhao 教授の指導の下、デバイスはホットチャック内で急速に 500 度まで加熱され、瞬間的な抵抗の変化が観察されました。
長期テスト: MIT で以前に開発された特殊な炉で実施され、最大 72 時間連続して監視されます。
結果は、接触抵抗が 48 時間以上安定しており、室温での性能と同様であることを示しました。 48時間後には劣化の兆候が現れ始めるが、研究者らは保護絶縁層の追加などの戦略を通じて材料の寿命を延ばし、安定性を向上させる取り組みを行っている。
マイクロエレクトロニクスの将来と応用展望
この研究の結果は、金星の表面で長期間動作できる高温窒化ガリウム結晶の開発に確固たる基盤を築くものとなる。
今後、これらの技術は惑星探査だけでなく、地熱エネルギー開発やジェットエンジン監視など、地球上の極限環境でも広く利用されるようになるでしょう。
「GaNトランジスタを直接作ろうと急ぐのではなく、基礎レベルから始めて、材料と接点が高温でどのように動作するかを徐々に理解し、電子システム全体の設計と開発を前進させています」と、MIT EECS大学院生で論文の筆頭著者であるジョン・ニロウラ氏は述べている。
この研究は、材料レベルからシステムレベルまでの統合研究の重要性を示し、高温環境におけるマイクロエレクトロニクス技術の応用における新しい時代の到来を告げるものです。
参考文献
- 窒化ガリウム電子デバイスは金星の約500℃の高温に耐えることができ、宇宙探査能力を高めることができる。
- Electronics That Defy Venus’ Heat: How Gallium Nitride Could Revolutionize Space Exploration
- 「AlGaN/GaN ヘテロ構造における再生および合金化されたオーム接点の 500 °C までの高温安定性」、John Niroula、Qingyun Xie、Nitul S. Rajput、Patrick K. Darmawi-Iskandar、Sheikh Ifatur Ramadilla、Shisong Luo、Rafid Ssanoo、Yowhiu、Ptonga、Hsano、Rafida 著) K. Micale、Nadim Chowdhury、Yuji Zhao、Siddharth Rajan、Tomas Palacios、2024 年 5 月 15 日、Applied Physics Letters。 DOI: 10.1063/5.0191297
（最初の写真の出典：AI生成）
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