Испытание температурой 500 °C: как нитрид галлия открывает новые возможности в космосе и на Земле

В стремлении покорить экстремальные температурные условия нитрид галлия (GaN), обладающий выдающейся термической стабильностью и электронными характеристиками, стал серьёзным конкурентом кремния.

Недавнее совместное исследование Массачусетского технологического института (MIT) и других учреждений подтвердило, что даже при экстремальной температуре в 500 °C нитрид галлия и его омический контакт сохраняют структурную стабильность, открывая путь к новым высокотемпературным применениям, включая миссии на поверхность Венеры.

Ключевой материал для исследования Венеры

Температура поверхности Венеры достигает 480 °C — этого достаточно, чтобы расплавить свинец, что делает традиционные кремниевые электронные устройства непригодными для длительной эксплуатации. Это стало серьёзным препятствием для долговременного пребывания зондов на Венере. Однако появление нитрида галлия постепенно меняет эту ситуацию. Хотя GaN уже широко используется в зарядных устройствах и коммуникационном оборудовании, его поведение при температурах выше 300 °C остаётся малоизученным.

Потенциал нитрида галлия при высоких температурах

В исследовании, опубликованном в журнале Applied Physics Letters, команда MIT подробно проанализировала влияние температуры на омический контакт (Ohmic contact) в устройствах на основе GaN. Омический контакт — это ключевой элемент, соединяющий полупроводник с внешней цепью, и его стабильность критически важна для надёжности устройства.

Исследователи были поражены тем, что структура контакта GaN после 48 часов работы при 500 °C не показала существенной деградации, что указывает на высокую термическую устойчивость. Это значительно повышает потенциал использования материала в экстремальных условиях, таких как поверхность Венеры.

Примечание: Омический контакт — это тип контакта между металлом и полупроводником, при котором ток и напряжение находятся в линейной и симметричной зависимости. Если эта зависимость нелинейна, то контакт называется шоттки-контактом.

Поведение сопротивления и усовершенствование контактных технологий

Производительность полупроводниковых устройств часто ограничивается контактным сопротивлением, особенно при уменьшении размеров устройств. Поведение контактного сопротивления при комнатной температуре изучено достаточно хорошо, в то время как при высоких температурах — остаётся неизвестным.

Команда MIT применила два основных подхода для улучшения омического контакта:

1. Осаждение металла на нитрид галлия с последующим высокотемпературным отжигом;
2. Удаление массивного слоя GaN и повторный рост сильно легированного GaN для повышения электронной проводимости.

Второй метод был разработан под руководством Университета штата Огайо. Его эффективность при комнатной температуре уже была доказана, и настоящее исследование впервые подтвердило стабильность метода при высоких температурах.

Передовые испытания и проверка долгосрочной стабильности

Для комплексного анализа характеристик материала исследователи в MIT.nano создали структуру на основе метода длины переноса (TLM) и провели как краткосрочные, так и долгосрочные тесты.

Краткосрочные испытания: под руководством профессора Чжао в Университете Райса устройство было быстро нагрето до 500 °C в термоплате для отслеживания мгновенных изменений сопротивления.

Долгосрочные испытания: проводились в специальной печи, разработанной MIT, с непрерывным мониторингом в течение 72 часов.

Результаты показали, что контактное сопротивление оставалось стабильным в течение 48 часов, демонстрируя поведение, аналогичное условиям при комнатной температуре. Хотя после 48 часов начались признаки деградации, исследователи стремятся продлить срок службы материала и повысить его стабильность путём добавления защитных изолирующих слоёв и других мер.

Будущее микроэлектроники и перспективы применения

Результаты данного исследования заложили прочную основу для создания высокотемпературных транзисторов на основе GaN, способных функционировать на поверхности Венеры в течение длительного времени.

Эти технологии в будущем найдут применение не только в планетарных исследованиях, но и в экстремальных условиях на Земле — например, в разработке геотермальной энергии и мониторинге реактивных двигателей.

Аспирант MIT EECS и первый автор статьи Джон Нирула (John Niroula) отметил: «Мы не спешим сразу производить GaN-транзисторы. Мы начали с основ, чтобы шаг за шагом понять поведение материала и контактов при высоких температурах, и на этой базе развивать весь электронный дизайн и системы».

Исследование подчёркивает важность интеграции знаний от материаловедческого до системного уровня и предвещает новую эру применения микроэлектроники в условиях высоких температур.

Список литературы

• Нитрид галлия усиливает возможности космических миссий, выдерживая почти 500 °C на Венере
• Electronics That Defy Venus’ Heat: How Gallium Nitride Could Revolutionize Space Exploration
• «Высокотемпературная стабильность до 500 °C регенерированных и сплавленных омических контактов к AlGaN/GaN-гетероструктурам», авторы: John Niroula, Qingyun Xie, Nitul S. Rajput, Patrick K. Darmawi-Iskandar, Sheikh Ifatur Ramadilla, Shisong Luo, Rafid Ssanoo, Yowhiu Ptonga, Hsano Rafida, K. Micale, Nadim Chowdhury, Yuji Zhao, Siddharth Rajan, Tomás Palacios. 15 мая 2024 г., Applied Physics Letters, DOI: 10.1063/5.0191297

(Источник первой картинки: создано с помощью ИИ)

Что касается измельчения, мы предлагаем индивидуальные настройки и можем регулировать соотношение в соответствии с требованиями обработки для достижения максимальной эффективности.

Добро пожаловать, свяжитесь с нами, у нас есть кто-то, кто ответит на ваши вопросы.

Если вам нужна индивидуальная расценка, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Часы работы службы поддержки клиентов: с понедельника по пятницу с 09:00 до 18:00.

Тел: 07 223 1058

Если у вас есть какие-либо вопросы или вопросы, на которые вы не смогли ответить по телефону, пожалуйста, отправьте мне личное сообщение на Facebook~~

Фейсбук Хоневэй: https://www.facebook.com/honwaygroup

Вас также может заинтересовать…