挑战500°C高温：氮化镓开创太空与地面高温环境新应用 - HonWay Materials

在对极端高温环境的探索中，氮化镓（GaN）凭借其卓越的热稳定性与电子性能，成为继矽材料之后的有力竞争者。

近期，麻省理工学院（MIT）与多家机构合作的最新研究证实，即使在高达摄氏 500 度的极端条件下，氮化镓及其欧姆接触仍能维持结构稳定，为未来包括金星表面任务在内的高温应用带来新希望。

金星探索的关键材料

金星表面温度可达摄氏 480 度，足以熔化铅，使传统的矽基电子设备无法长时间运作。这成为阻碍探测器长期登陆金星的重大瓶颈。然而，氮化镓的出现正逐渐改变这一现状。虽然氮化镓已广泛应用于手机充电器和通讯设备，但科学界对其在超过摄氏 300 度的条件下的表现仍不甚了解。

在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）发表的一项研究中，MIT 的研究团队针对温度对于氮化镓装置中的欧姆接触（Ohmic contact）进行了深入分析。欧姆接触作为连接半导体与外界电路的关键部件，其稳定性对整体装置的可靠性至关重要。

研究人员惊讶地发现，氮化镓装置在摄氏 500 度下持续运行 48 小时后，接触结构并未出现明显退化，显示出优异的热稳定性。这一结果大大增强了其在金星表面等极端环境下的应用潜力。

※知识小补充:欧姆接触（Ohmic contact）是当金属与半导体接触时，如果它们之间的电流和电压呈线性且对称关系，这种接触就称为欧姆接触。如果电流-电压关系不是线性的，就叫做萧特基接触。

半导体装置的性能往往受限于接触电阻，特别是在装置尺寸缩小时更为明显。传统上，接触电阻在室温条件下已有较完整的理解，但高温下的行为仍属未知领域。

MIT 团队采用两种主流方法增加欧姆接触：

后者由俄亥俄州立大学领导，虽在室温下已证实有效，此研究则首次验证其在高温下同样具备稳定表现。

为全面了解材料性能，研究人员在 MIT.nano 建构了名为「传输长度方法结构」的装置，并进行短期与长期测试。

短期测试：在莱斯大学由赵教授领导，将装置置于热卡盘中迅速加热至 500 度以观察即时电阻变化。

长期测试：在 MIT先前开发的专用熔炉中进行，持续监测长达 72 小时。

研究结果显示，在 48 小时内接触电阻保持稳定，性能类似于室温下表现。尽管 48 小时后开始出现降解迹象，但透过添加保护绝缘层等策略，研究人员正努力延长材料寿命并提升稳定性。

本研究的成果为开发能够在金星表面长时间运作的高温氮化镓电晶体奠定了坚实基础。

这些技术未来不仅可用于行星探测，还将广泛应用于地球上的极端环境，如地热能源开发与喷射发动机监测等。

MIT EECS 研究生暨论文第一作者 John Niroula 表示：「我们并不急于直接制造氮化镓电晶体，而是从基础层面出发，逐步建立对材料与接触在高温下行为的理解，进而推进整体电子系统的设计与开发。」

此研究展现了材料级至系统级整合研究的重要性，预示着微电子技术在高温环境下的应用将迈入新纪元。

文献参考

足以承受金星近 500℃ 高温，氮化镓电子设备增强太空探索能力
Electronics That Defy Venus’ Heat: How Gallium Nitride Could Revolutionize Space Exploration
“AlGaN/GaN 异质结构的再生和合金化欧姆接触的高温稳定性高达 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，《应用物理快报》。 DOI：10.1063/5.0191297

(首图来源:AI生成)

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