Wetenschap
Onderzoekers onderzoeken eigenschappen van nieuwe materialen voor elektronica die in extreem warme omgevingen werkt
Het verzengende oppervlak van Venus, waar de temperatuur kan oplopen tot 480°C (heet genoeg om lood te smelten), is een onherbergzame plek voor zowel mens als machine. Eén reden waarom wetenschappers er nog niet in zijn geslaagd een rover naar het aardoppervlak te sturen, is dat op silicium gebaseerde elektronica gedurende langere tijd niet bij zulke extreme temperaturen kan functioneren.
Voor toepassingen bij hoge temperaturen, zoals de verkenning van Venus, hebben onderzoekers zich onlangs tot galliumnitride gewend, een uniek materiaal dat temperaturen van 500°C of meer kan weerstaan.
Het materiaal wordt al gebruikt in sommige aardse elektronica, zoals telefoonopladers en mobiele telefoonmasten, maar wetenschappers hebben geen goed beeld van hoe galliumnitride-apparaten zich zouden gedragen bij temperaturen boven 300°C, wat de operationele limiet is van conventionele siliciumelektronica.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Applied Physics Letters , dat deel uitmaakt van een meerjarig onderzoek, probeerde een team van wetenschappers van MIT en elders belangrijke vragen te beantwoorden over de eigenschappen en prestaties van het materiaal bij extreem hoge temperaturen.
Ze bestudeerden de impact van temperatuur op de ohmse contacten in een galliumnitride-apparaat. Ohmse contacten zijn belangrijke componenten die een halfgeleiderapparaat met de buitenwereld verbinden.
De onderzoekers ontdekten dat extreme temperaturen geen significante afbraak van het galliumnitridemateriaal of de contacten veroorzaakten. Ze waren verrast om te zien dat de contacten structureel intact bleven, zelfs als ze 48 uur op 500°C werden gehouden.
Begrijpen hoe contacten presteren bij extreme temperaturen is een belangrijke stap in de richting van het volgende doel van de groep:het ontwikkelen van hoogwaardige transistors die op het oppervlak van Venus zouden kunnen werken. Dergelijke transistors zouden op aarde ook in de elektronica kunnen worden gebruikt voor toepassingen zoals het winnen van geothermische energie of het monitoren van de binnenkant van straalmotoren.
"Transistors vormen het hart van de meeste moderne elektronica, maar we wilden niet meteen overgaan tot het maken van een galliumnitride-transistor, omdat er zoveel mis kon gaan. We wilden er eerst zeker van zijn dat het materiaal en de contacten konden overleven, en uitzoeken hoeveel ze veranderen naarmate je de temperatuur verhoogt.
"We zullen onze transistor ontwerpen op basis van deze basismateriaalbouwstenen", zegt John Niroula, afgestudeerd elektrotechniek en computerwetenschappen (EECS) en hoofdauteur van het artikel.
De verwarming hoger zetten
Hoewel galliumnitride de laatste tijd veel aandacht heeft getrokken, loopt het materiaal nog steeds tientallen jaren achter op silicium als het gaat om het inzicht van wetenschappers in hoe de eigenschappen ervan onder verschillende omstandigheden veranderen. Eén zo'n eigenschap is weerstand, de stroom van elektrische stroom door een materiaal.
De algehele weerstand van een apparaat is omgekeerd evenredig met de grootte ervan. Maar apparaten zoals halfgeleiders hebben contacten die ze met andere elektronica verbinden. De contactweerstand, die door deze elektrische verbindingen wordt veroorzaakt, blijft vast, ongeacht de grootte van het apparaat. Te veel contactweerstand kan leiden tot een hogere vermogensdissipatie en lagere bedrijfsfrequenties voor elektronische circuits.
“Vooral als je naar kleinere afmetingen gaat, worden de prestaties van een apparaat vaak beperkt door de contactweerstand. Mensen hebben relatief goed inzicht in de contactweerstand bij kamertemperatuur, maar niemand heeft echt onderzocht wat er gebeurt als je helemaal naar boven gaat. 500°", zegt Niroula.
Voor hun onderzoek gebruikten de onderzoekers faciliteiten van MIT.nano om galliumnitride-apparaten te bouwen die bekend staan als overdrachtslengtemethodestructuren, die zijn samengesteld uit een reeks weerstanden. Met deze apparaten kunnen ze de weerstand van zowel het materiaal als de contacten meten.
Ze voegden ohmse contacten aan deze apparaten toe met behulp van de twee meest gebruikelijke methoden. De eerste omvat het afzetten van metaal op galliumnitride en het gedurende ongeveer 30 seconden verwarmen tot 825°C, een proces dat gloeien wordt genoemd.
De tweede methode omvat het verwijderen van stukjes galliumnitride en het gebruik van een hoge-temperatuurtechnologie om hooggedoteerde galliumnitride op zijn plaats terug te laten groeien, een proces onder leiding van Rajan en zijn team in de staat Ohio. Het hooggedoteerde materiaal bevat extra elektronen die kunnen bijdragen aan de stroomgeleiding.
"De hergroeimethode leidt doorgaans tot een lagere contactweerstand bij kamertemperatuur, maar we wilden kijken of deze methoden nog steeds goed werken bij hoge temperaturen", zegt Niroula.
Een alomvattende aanpak
Ze testten apparaten op twee manieren. Hun medewerkers aan de Rice University, onder leiding van Zhao, voerden kortetermijntests uit door apparaten op een hete boorkop te plaatsen die een temperatuur van 500 °C bereikten en onmiddellijk weerstandsmetingen uit te voeren.
Bij MIT voerden ze experimenten op langere termijn uit door apparaten in een gespecialiseerde oven te plaatsen die de groep eerder had ontwikkeld. Ze lieten apparaten tot 72 uur binnen staan om te meten hoe de weerstand verandert als functie van temperatuur en tijd.
Microscopie-experts van MIT.nano (Aubrey N. Penn) en het Technology Innovation Institute (Nitul S. Rajput) gebruikten de modernste transmissie-elektronenmicroscopen om te zien hoe zulke hoge temperaturen galliumnitride en de ohmse contacten bij de atomen beïnvloeden. niveau.
"We dachten dat de contacten of het galliumnitridemateriaal zelf aanzienlijk zouden verslechteren, maar we ontdekten het tegenovergestelde. Contacten gemaakt met beide methoden leken opmerkelijk stabiel", zegt Niroula.
Hoewel het moeilijk is om de weerstand bij zulke hoge temperaturen te meten, geven hun resultaten aan dat de contactweerstand zelfs bij temperaturen van 500°C gedurende ongeveer 48 uur constant lijkt te blijven. En net als bij kamertemperatuur leidde het hergroeiproces tot betere prestaties.
Het materiaal begon af te breken nadat het 48 uur in de oven had gelegen, maar de onderzoekers werken er al aan om de prestaties op de lange termijn te verbeteren. Eén strategie omvat het toevoegen van beschermende isolatoren om te voorkomen dat het materiaal direct wordt blootgesteld aan de omgeving met hoge temperaturen.
In de toekomst zijn de onderzoekers van plan om wat ze in deze experimenten hebben geleerd, te gebruiken om galliumnitride-transistors op hoge temperatuur te ontwikkelen.
"In onze groep richten we ons op innovatief onderzoek op apparaatniveau om de grenzen van de micro-elektronica te verleggen, terwijl we een systematische aanpak hanteren over de hele hiërarchie heen, van het materiële niveau tot het circuitniveau. Hier zijn we helemaal naar beneden gegaan naar het materieel niveau om dingen diepgaand te begrijpen.
"Met andere woorden, we hebben de vooruitgang op apparaatniveau vertaald naar impact op circuitniveau voor elektronica op hoge temperatuur, door middel van ontwerp, modellering en complexe fabricage. We hebben ook het enorme geluk dat we nauwe samenwerkingsverbanden hebben opgebouwd met onze langdurige medewerkers tijdens deze reis." zegt Xie.