由於氮化鎵能夠承受攝氏500度以上的高溫，研究人員正將氮化鎵用於金星偵測等高溫應用領域。麻省理工學院和其他機構最近的一項研究表明，這種材料及其歐姆觸點即使在高溫下也能保持結構穩定。這項研究包括製造氮化鎵裝置，並在高溫條件下進行測試，結果表明，未來極端環境下的電子裝置大有可為。

金星探索與氮化鎵

在炙熱的金星表面，溫度可高達攝氏480 度/華氏900 度，足以融化鉛。因此，金星對人類和機器來說都是一個荒涼的地方。科學家至今未能將漫遊車送往金星表面的一個原因是，矽基電子設備無法在如此極端的溫度下長時間工作。

對於像金星探測這樣的高溫應用，研究人員最近轉向了氮化鎵，這是一種能承受500 度或更高溫度的獨特材料。

這種材料已被用於一些地面電子設備，如手機充電器和手機訊號塔，但科學家對氮化鎵設備在超過300 度的溫度下的表現還沒有很好的把握，而這正是傳統矽電子設備的工作極限。

在發表於《應用物理快報》（Applied Physics Letters）的一篇新論文中，來自麻省理工學院和其他大學的科學家團隊試圖回答有關這種材料在極高溫下的特性和性能的關鍵問題。

他們研究了溫度對氮化鎵裝置中歐姆觸點的影響。歐姆觸點是半導體裝置與外界連接的關鍵元件。

研究人員發現，極端溫度並沒有對氮化鎵材料或接點造成明顯的降解。他們驚訝地發現，即使在500 攝氏度的高溫下保持48 小時，觸點的結構仍然完好無損。

高溫電子技術的未來發展方向

了解觸點在極端溫度下的性能，是該研究小組朝著開發可在金星表面工作的高性能晶體管這一目標邁出的重要一步。這種電晶體也可用於地球上的電子設備，如提取地熱能或監測噴射發動機內部。

“電晶體是大多數現代電子產品的核心，但我們不想直接製造氮化鎵晶體管，因為可能會出現很多問題。我們首先要確保材料和觸點能夠存活，並弄清楚它們在溫度升高時會發生多大變化。

他的合著者包括：謝青雲（Qingyun Xie）博士（24歲）、袁夢陽（Mengyang Yuan）博士（22歲）、電子工程與電子科學系研究生Patrick K. Darmawi-Iskandar和Pradyot Yadav、材料科學與工程系研究生Gillian K. Micale、資深作者Tomás Palacios（Clarence J. LeBel教授、微系統技術實驗室主任、電子研究實驗室成員）以及合作者、美國技術創新研究所的Nitul S. Rajput。 LeBel 教授、微系統技術實驗室主任和電子學研究實驗室成員Tomás Palacios，以及合作者阿拉伯聯合大公國技術創新研究所的Nitul S. Rajput、俄亥俄州立大學的Siddharth Rajan、萊斯大學的趙玉吉和孟加拉國工程技術大學的Nadim Chowdhury。

耐熱性能

雖然氮化鎵最近引起了廣泛關注，但在科學家對其特性在不同條件下如何變化的理解方面，氮化鎵仍比矽落後幾十年。其中一個特性就是電阻，即電流通過材料時的阻力。

設備的總電阻與其尺寸成反比。但是，像半導體這樣的設備都有與其他電子元件相連的接點。接觸電阻是由這些電氣連接造成的，無論裝置的大小如何，接觸電阻都是固定不變的。過大的接觸電阻會導致更高的功率耗散和更慢的電子電路工作頻率。

“特別是在尺寸變小的情況下，設備的性能往往會受到接觸電阻的限制。”Niroula 說：”人們對室溫下的接觸電阻有比較深入的了解，但沒有人真正研究過當溫度升高到500 度會發生什麼事。

測試方法和結果

在研究中，研究人員利用麻省理工學院奈米研究所的設備製造了氮化鎵裝置，這種裝置稱為轉移長度法結構，由一系列電阻器組成。透過這些裝置，他們可以測量材料和接點的電阻。

他們使用兩種最常見的方法為這些設備添加歐姆觸點。第一種方法是在氮化鎵上沉積金屬，然後將其加熱到825 攝氏度，持續約30 秒，這個過程稱為退火。

第二種方法是移除大塊的氮化鎵，然後使用高溫技術在其位置上重新生長出高摻雜氮化鎵，這個過程由俄亥俄州立大學的拉詹和他的團隊領導。高度摻雜的材料含有額外的電子，有助於電流傳導。

Niroula 說：”在室溫下，再生方法通常會降低接觸電阻，但我們想看看這些方法在高溫下是否仍然有效。”

高溫下的穩定性和性能

他們透過兩種方式對設備進行測試。他們在萊斯大學的合作者（由趙領導）進行了短期測試，將設備放在高達500 攝氏度的熱卡盤上，並立即測量電阻。

在麻省理工學院，他們將設備放入該小組先前開發的專用熔爐中，進行了更長的實驗。他們將設備放置在爐內長達72 小時，以測量電阻隨溫度和時間的變化。

麻省理工學院奈米研究所（Aubrey N. Penn）和技術創新研究所（Nitul S. Rajput）的顯微鏡專家使用最先進的透射電子顯微鏡，觀察如此高的溫度如何在原子層面上影響氮化鎵和歐姆觸點。

“我們原以為觸點或氮化鎵材料本身會顯著退化，但我們發現情況恰恰相反。用這兩種方法製成的觸點似乎都非常穩定，”Niroula 說。

雖然很難在如此高的溫度下測量電阻，但他們的研究結果表明，即使在500 度的高溫下，接觸電阻似乎也能保持穩定，持續約48 小時。就像在室溫下一樣，再生過程帶來了更好的性能。

這種材料在熔爐中放置48 小時後確實開始降解，但研究人員已經在努力提高其長期性能。其中一項策略是添加保護性絕緣體，使材料不直接暴露在高溫環境中。

微電子技術的未來前景

今後，研究人員計劃利用這些實驗中學到的知識開發高溫氮化鎵晶體管。

“在我們小組，我們專注於創新的裝置級研究，以推動微電子學的前沿發展，同時在從材料級到電路級的各個層次上採用系統的方法。在這裡，我們一直深入到材料層面來深入理解事物。建立了緊密的夥伴關係，”Xie 說。

編譯自/ ScitechDaily