突破温度极限的独特材料

作者: ⼩⾬

来源: https://news.mit.edu/2024/turning-up-heat-on-next-generation-semiconductors-0523

发布日期: 2024-06-01 20:30:25

科学家研究氮化镓材料在极端高温下的性能,发现其在500℃的高温下仍能保持稳定,这为开发能在金星表面运作的电子设备提供了可能,同时也有望应用于地球上的高温环境。

在⾦星的炙热表⾯,温度可以⾼达480℃,这是⾜以使铅熔化的⾼温,绝不适合⼈类居住。⽽同样难以在这样的环境下运⾏的,还有⼈类制造的机器设备,这也是科学家还不能向⾦星表⾯发射探测器的⼀个原因——硅基电⼦设备根本⽆法在这样的温度下⻓时间⼯作,300℃是传统硅电⼦产品的操作极限。近年来,为了开发出能⽤于包括⾦星探测在内的⾼温电⼦技术,科学家开始转⽽研究⼀种独特的材料——氮化镓(GaN)。

虽然氮化镓可以承受500℃甚⾄更⾼的温度,并且已经被⽤于⼀些地⾯电⼦产品,⽐如⼿机充电器和⼿机信号塔。但是,对于氮化镓器件在300℃以上的性能,科学家还不甚了解。

在⼀项新发表于《应⽤物理快报》的研究中,⼀组研究⼈员试图探索氮化镓在极⾼温度下的特性和性能。他们分析了温度对氮化镓器件中的欧姆接触(连接半导体器件与外界的关键部件)的影响,发现⾼温并不会导致氮化镓材料或接触出现显著的降级,即使在500℃的⾼温下放置48⼩时,这些接触的结构仍然完好⽆损。让温度上升。虽然氮化镓已经吸引了越来越多的关注,但其实科学家对其性质在不同条件下如何变化的了解仍远落后于硅。

其中⼀个想要了解的特性就是电阻。⼀个器件的总电阻与其⼤⼩成反⽐。但是当半导体器件在与其他电⼦器件相连时,会存在物理上的“接触”,接触电阻就是由这些连接引起的。⽆论⼀个器件的尺⼨多⼤,接触电阻都是固定的。如果接触过多,电⼦电路的功耗就会越⾼,⼯作频率越慢。对于那些尺⼨⾮常⼩的器件来说,它们的性能更受制于接触电阻。

虽然科学家对室温下的接触电阻已经有了相对较好的理解,但没有⼈真正研究过在500℃时会发⽣什么。在新的研究中,研究⼈员利⽤转移⻓度法结构(TLM structures)对氮化镓器件的接触进⾏了探索。这种结构由⼀系列电阻组成,能够被⽤于测量氮化镓本身以及接触的电阻。他们使⽤了两种最常⻅的⽅法在这些器件上添加欧姆接触。第⼀种⽅法是将⾦属沉积在氮化镓上,并将其加热到825℃约30秒,这⼀过程被称为退⽕。

第⼆种⽅法则涉及到去除氮化镓块,并使⽤⾼温技术在其位置上重新⽣⻓出⾼度掺杂的氮化镓。⾼度掺杂的氮化镓含有有助于电流传导的多余电⼦。这种再⽣法通常会导致接触电阻在室温下降低。研究⼈员想知道,这种⽅法在⾼温下是否仍然有效。研究⼈员⽤两种⽅式测试了器件。他们通过将器件放在500℃的热卡盘上进⾏的,并⽴即测量电阻,完成了这项研究的短期测试。

与此同时,他们还通过将器件放⼊专⻔研发的加热炉中进⾏了⻓期测试:他们将器件放置在炉内⻓达72⼩时,并测量了电阻随温度和时间变化的情况。接着,他们使⽤最先进的透射电⼦显微镜来观察这种⾼温会如何在原⼦⽔平上影响氮化镓和欧姆接触。研究⼈员原本以为,接触和氮化镓材料本身都应该会出现明显的降级,但事实却刚好相反,在这两种⽅法下,接触电阻都表现出了⾮常⾼的稳定性。

虽然很难在如此⾼的温度下测量电阻,但他们的结果表明,即使在500℃的温度下,接触电阻似乎也能持续保持恒定约48⼩时。就像在室温下⼀样,再⽣过程可以带来更好的性能表现。不过,氮化镓在加热炉中放置48⼩时后开始表现出性能降级。但研究⼈员已经在努⼒提⾼其⻓期性能。⼀种策略是增加保护性绝缘体,以防⽌材料直接暴露在⾼温环境中。

展望未来,研究⼈员计划利⽤他们在这些实验中学到的知识来开发⾼温氮化镓晶体管。这样的晶体管有望在⾦星表⾯运作,进⽽帮助实现向⾦星发射探测器的⽬标。与此同时,这样的晶体管也可以⽤于地球上的电⼦设备,⽐如提取地热能或监测喷⽓发动机的内部等。

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