อุณหภูมิสูงถึง 500°C ที่ท้าทาย: GaN สร้างการใช้งานใหม่ในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูงในอวกาศและบนพื้นดิน

ในการสำรวจสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงมาก แกเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้กลายมาเป็นคู่แข่งที่แข็งแกร่งหลังจากวัสดุซิลิกอน เนื่องจากมีเสถียรภาพทางความร้อนและคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยม

ล่าสุดงานวิจัยล่าสุดของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ร่วมกับสถาบันต่างๆ หลายแห่งได้ยืนยันแล้วว่าแกเลียมไนไตรด์และจุดสัมผัสโอห์มิกสามารถรักษาเสถียรภาพของโครงสร้างได้แม้ในสภาวะที่รุนแรงถึง 500 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นความหวังใหม่สำหรับการใช้งานอุณหภูมิสูงในอนาคต รวมถึงภารกิจไปยังพื้นผิวของดาวศุกร์ด้วย

วัสดุหลักสำหรับการสำรวจดาวศุกร์

อุณหภูมิพื้นผิวของดาวศุกร์อาจสูงถึง 480 องศาเซลเซียส ซึ่งเพียงพอที่จะหลอมตะกั่วและทำให้เครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์แบบซิลิกอนดั้งเดิมไม่สามารถทำงานได้เป็นเวลานาน สิ่งนี้กลายเป็นอุปสรรคสำคัญที่ขัดขวางการลงจอดของยานสำรวจบนดาวศุกร์ในระยะยาว อย่างไรก็ตาม การเกิดขึ้นของแกเลียมไนไตรด์ทำให้สถานการณ์นี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างค่อยเป็นค่อยไป แม้ว่า GaN จะถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องชาร์จโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์สื่อสาร แต่ชุมชนวิทยาศาสตร์ยังคงมีความเข้าใจที่ไม่ดีนักเกี่ยวกับประสิทธิภาพภายใต้สภาวะที่อุณหภูมิเกิน 300 องศาเซลเซียส

การศึกษาวิจัยเผยให้เห็นศักยภาพของแกเลียมไนไตรด์ที่อุณหภูมิสูง

ในการศึกษาวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Applied Physics Letters ทีมวิจัย MIT ได้ทำการวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับผลกระทบของอุณหภูมิต่อการสัมผัสโอห์มิกในอุปกรณ์แกเลียมไนไตรด์ เนื่องจากเป็นส่วนประกอบสำคัญที่เชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์กับวงจรภายนอก ความเสถียรของการสัมผัสโอห์มิกจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์โดยรวม

นักวิจัยประหลาดใจเมื่อพบว่าหลังจากอุปกรณ์ GaN ถูกใช้งานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 48 ชั่วโมง โครงสร้างสัมผัสไม่แสดงการเสื่อมสภาพที่ชัดเจน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงเสถียรภาพทางความร้อนที่ยอดเยี่ยม ผลลัพธ์นี้ช่วยเพิ่มศักยภาพในการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น พื้นผิวของดาวศุกร์ได้อย่างมาก

※ความรู้เพิ่มเติม: การสัมผัสแบบโอห์มิก คือ การที่โลหะและสารกึ่งตัวนำสัมผัสกัน หากกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าระหว่างทั้งสองเป็นแบบเชิงเส้นและสมมาตร การสัมผัสดังกล่าวจะเรียกว่า การสัมผัสแบบโอห์มิก หากความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดันไฟไม่เป็นเชิงเส้น จะเรียกว่าหน้าสัมผัสชอตต์กี้

การปรับปรุงพฤติกรรมการต้านทานและเทคโนโลยีการติดต่อ

ประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มักถูกจำกัดด้วยความต้านทานการสัมผัส โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อขนาดของอุปกรณ์เล็กลง โดยทั่วไปแล้ว ความต้านทานการสัมผัสเป็นที่เข้าใจกันดีที่อุณหภูมิห้อง แต่พฤติกรรมของมันที่อุณหภูมิสูงยังคงไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด

ทีม MIT ใช้แนวทางหลักสองวิธีในการเพิ่มการสัมผัสโอห์มิก:

1. โลหะถูกเคลือบบน GaN และอบที่อุณหภูมิสูง
2. วิธีการนี้คือการกำจัดชิ้น GaN ขนาดใหญ่ แล้วสร้าง GaN ที่มีการเจือปนในระดับสูงขึ้นมาใหม่เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการนำอิเล็กตรอน

ผลการศึกษาชิ้นหลังซึ่งนำโดยมหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอ แสดงให้เห็นว่ามีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิห้อง แต่การศึกษาครั้งนี้เป็นครั้งแรกที่ตรวจยืนยันว่าผลิตภัณฑ์ดังกล่าวมีเสถียรภาพที่อุณหภูมิสูงด้วยเช่นกัน

การทดสอบขั้นสูงและการตรวจสอบเสถียรภาพในระยะยาว

เพื่อทำความเข้าใจประสิทธิภาพของวัสดุอย่างสมบูรณ์ นักวิจัยได้สร้างอุปกรณ์ที่เรียกว่า “โครงสร้างวิธีความยาวการถ่ายโอน” ที่ MIT.nano และทำการทดสอบในระยะสั้นและระยะยาว

การทดสอบในระยะสั้น: ภายใต้การนำของศาสตราจารย์ Zhao จากมหาวิทยาลัยไรซ์ อุปกรณ์ได้รับความร้อนอย่างรวดเร็วถึง 500 องศาในภาชนะที่ร้อนเพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานทันที

การทดสอบในระยะยาว: ดำเนินการในเตาเผาเฉพาะทางที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ที่ MIT โดยมีการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องนานถึง 72 ชั่วโมง

ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าความต้านทานการสัมผัสยังคงมีเสถียรภาพมากกว่า 48 ชั่วโมง โดยมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกับที่อุณหภูมิห้อง แม้ว่าสัญญาณการเสื่อมสภาพจะเริ่มปรากฏให้เห็นหลังจากผ่านไป 48 ชั่วโมง แต่ผู้วิจัยกำลังพยายามยืดอายุการใช้งานของวัสดุและปรับปรุงเสถียรภาพของมันผ่านกลยุทธ์ต่างๆ เช่น การเพิ่มชั้นฉนวนป้องกัน

อนาคตและแนวโน้มการประยุกต์ใช้ไมโครอิเล็กทรอนิกส์

ผลการศึกษาครั้งนี้วางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาผลึกแกเลียมไนไตรด์อุณหภูมิสูงที่สามารถทำงานบนพื้นผิวของดาวศุกร์ได้เป็นเวลานาน

ในอนาคต เทคโนโลยีเหล่านี้จะไม่เพียงแต่ถูกนำมาใช้ในการสำรวจดาวเคราะห์เท่านั้น แต่ยังถูกนำมาใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงบนโลกอีกด้วย เช่น การพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพและการติดตามเครื่องยนต์ไอพ่น

จอห์น นิรูลา นักศึกษาระดับปริญญาตรีสาขา MIT EECS และผู้เขียนหลักของรายงานกล่าวว่า “แทนที่จะเร่งรีบในการผลิตทรานซิสเตอร์ GaN โดยตรง เราจะเริ่มต้นจากระดับพื้นฐานและค่อยๆ สร้างความเข้าใจเกี่ยวกับพฤติกรรมของวัสดุและหน้าสัมผัสที่อุณหภูมิสูง เพื่อพัฒนาการออกแบบและการพัฒนาของระบบอิเล็กทรอนิกส์โดยรวม”

การศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการวิจัยแบบบูรณาการตั้งแต่ระดับวัตถุไปจนถึงระดับระบบ และเป็นจุดเริ่มต้นของยุคใหม่ในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูง

อ้างอิง

• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แกเลียมไนไตรด์สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงเกือบ 500℃ บนดาวศุกร์และเสริมความสามารถในการสำรวจอวกาศ
• 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 Ra​​​​madilla、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

(ที่มาของภาพแรก : AI generated)

สำหรับการบด เรามีการปรับแต่งตามความต้องการในการประมวลผล เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด

ยินดีต้อนรับที่จะติดต่อเรา เราจะมีคนที่จะตอบคำถามของคุณ

หากคุณต้องการใบเสนอราคาแบบกำหนดเองโปรดติดต่อเรา

เวลาทำการฝ่ายบริการลูกค้า : จันทร์ – ศุกร์ 09:00~18:00 น.

โทร : 07 223 1058

หากมีข้อสงสัยหรือคำถามที่ไม่ชัดเจนทางโทรศัพท์ โปรดอย่าลังเลที่จะส่งข้อความส่วนตัวถึงฉันทาง Facebook ~~

เฟซบุ๊ก HonWay: https://www.facebook.com/honwaygroup

คุณอาจสนใจ…