Den brännande ytan på Venus, där temperaturen kan stiga till 480°C (tillräckligt varmt för att smälta bly), är en ogästvänlig plats för både människor och maskiner. En anledning till att forskare ännu inte har kunnat skicka en rover till planetens yta är att kiselbaserad elektronik inte kan fungera i så extrema temperaturer under en längre tid.
För högtemperaturapplikationer som Venus-utforskning har forskare nyligen vänt sig till galliumnitrid, ett unikt material som tål temperaturer på 500° eller mer.
Materialet används redan i viss markbunden elektronik, som telefonladdare och mobiltelefontorn, men forskarna har inte ett bra grepp om hur galliumnitridenheter skulle bete sig vid temperaturer över 300°, vilket är gränsvärdet för konventionell kiselelektronik.
I en ny artikel publicerad i Applied Physics Letters , som är en del av ett flerårigt forskningsarbete, försökte ett team av forskare från MIT och andra håll svara på nyckelfrågor om materialets egenskaper och prestanda vid extremt höga temperaturer.
De studerade temperaturens inverkan på de ohmska kontakterna i en galliumnitridanordning. Ohmiska kontakter är nyckelkomponenter som kopplar samman en halvledarenhet med omvärlden.
Forskarna fann att extrema temperaturer inte orsakade betydande nedbrytning av galliumnitridmaterialet eller kontakter. De blev förvånade över att se att kontakterna förblev strukturellt intakta även när de hölls vid 500°C i 48 timmar.
Att förstå hur kontakter fungerar vid extrema temperaturer är ett viktigt steg mot gruppens nästa mål att utveckla högpresterande transistorer som kan fungera på Venus yta. Sådana transistorer skulle också kunna användas på jorden i elektronik för tillämpningar som att utvinna geotermisk energi eller övervaka insidan av jetmotorer.
"Transistorer är hjärtat i de flesta moderna elektronik, men vi ville inte hoppa direkt till att göra en galliumnitridtransistor eftersom så mycket kunde gå fel. Vi ville först se till att materialet och kontakterna kunde överleva, och ta reda på hur mycket de ändras när du ökar temperaturen.
"Vi kommer att designa vår transistor från dessa grundläggande materialbyggstenar", säger John Niroula, doktorand i elektroteknik och datavetenskap (EECS) och huvudförfattare till artikeln.
Skruvar upp värmen
Även om galliumnitrid nyligen har väckt stor uppmärksamhet, ligger materialet fortfarande decennier efter kisel när det kommer till forskarnas förståelse för hur dess egenskaper förändras under olika förhållanden. En sådan egenskap är motstånd, flödet av elektrisk ström genom ett material.
En enhets totala motstånd är omvänt proportionell mot dess storlek. Men enheter som halvledare har kontakter som kopplar dem till annan elektronik. Kontaktresistans, som orsakas av dessa elektriska anslutningar, förblir fixerad oavsett storleken på enheten. För mycket kontaktresistans kan leda till högre effektförlust och långsammare driftsfrekvenser för elektroniska kretsar.
"Särskilt när man går till mindre dimensioner slutar ofta en enhets prestanda att begränsas av kontaktresistans. Människor har en relativt god förståelse för kontaktresistans i rumstemperatur, men ingen har riktigt studerat vad som händer när man går ända upp till 500°", säger Niroula.
För sin studie använde forskarna anläggningar vid MIT.nano för att bygga galliumnitridenheter som kallas strukturer för överföringslängdsmetod, som är sammansatta av en serie motstånd. Dessa enheter gör det möjligt för dem att mäta motståndet hos både materialet och kontakterna.
De lade till ohmska kontakter till dessa enheter med de två vanligaste metoderna. Den första innebär avsättning av metall på galliumnitrid och uppvärmning till 825°C i cirka 30 sekunder, en process som kallas glödgning.
Den andra metoden innebär att man tar bort bitar av galliumnitrid och använder en högtemperaturteknik för att återodla högdopad galliumnitrid i dess ställe, en process som leds av Rajan och hans team i Ohio State. Det högdopade materialet innehåller extra elektroner som kan bidra till strömledning.
"Återväxtmetoden leder vanligtvis till lägre kontaktmotstånd vid rumstemperatur, men vi ville se om dessa metoder fortfarande fungerar bra vid höga temperaturer", säger Niroula.
De testade enheter på två sätt. Deras samarbetspartners vid Rice University, ledd av Zhao, genomförde korttidstester genom att placera enheter på en varmchuck som nådde 500°C och ta omedelbara motståndsmätningar.
Vid MIT genomförde de långsiktiga experiment genom att placera enheter i en specialiserad ugn som gruppen tidigare utvecklat. De lämnade enheter inne i upp till 72 timmar för att mäta hur motståndet förändras som en funktion av temperatur och tid.
Mikroskopiexperter vid MIT.nano (Aubrey N. Penn) och Technology Innovation Institute (Nitul S. Rajput) använde toppmoderna transmissionselektronmikroskop för att se hur så höga temperaturer påverkar galliumnitrid och de ohmska kontakterna vid atomen nivå.
"Vi trodde att kontakterna eller själva galliumnitridmaterialet skulle försämras avsevärt, men vi fann motsatsen. Kontakter som gjordes med båda metoderna verkade vara anmärkningsvärt stabila", säger Niroula.
Även om det är svårt att mäta resistans vid så höga temperaturer, indikerar deras resultat att kontaktresistansen verkar förbli konstant även vid temperaturer på 500°, i cirka 48 timmar. Och precis som vid rumstemperatur ledde återväxtprocessen till bättre prestanda.
Materialet började brytas ned efter att ha legat i ugnen i 48 timmar, men forskarna arbetar redan för att förbättra den långsiktiga prestandan. En strategi innebär att lägga till skyddande isolatorer för att förhindra att materialet utsätts direkt för högtemperaturmiljön.
Framöver planerar forskarna att använda det de lärt sig i dessa experiment för att utveckla högtemperaturtransistorer av galliumnitrid.
"I vår grupp fokuserar vi på innovativ forskning på enhetsnivå för att flytta fram gränserna för mikroelektronik, samtidigt som vi antar ett systematiskt tillvägagångssätt över hierarkin, från materialnivå till kretsnivå. Här har vi gått hela vägen ner till materialnivå för att förstå saker på djupet.
"Med andra ord har vi översatt framsteg på enhetsnivå till effekt på kretsnivå för högtemperaturelektronik, genom design, modellering och komplex tillverkning. Vi är också oerhört lyckligt lottade som har knutit nära partnerskap med våra långvariga medarbetare på denna resa." säger Xie.
