提高下一代半导体的热度

金星灼热的表面，温度可以攀升到480摄氏度（热到足以熔化铅），对人类和机器来说都是一个荒凉的地方。科学家们尚未能够将火星车送上地球表面的一个原因是，硅基电子设备无法长时间在如此极端的温度下运行。

对于像金星探测这样的高温应用，研究人员最近转向了氮化镓，这是一种独特的材料，可以承受500度或更高的温度。

这种材料已经用于一些地面电子产品，如手机充电器和手机信号塔，但科学家们并不了解氮化镓器件在超过300度的温度下的行为，这是传统硅电子产品的操作极限。

在发表在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上的一篇新论文中，来自麻省理工学院和其他地方的一组科学家试图回答有关材料在极高温度下的特性和性能的关键问题。

他们研究了温度对氮化镓装置中欧姆接触的影响。欧姆触点是连接半导体器件与外界的关键部件。

研究人员发现，极端温度不会导致氮化镓材料或触点的显着降解。他们惊讶地发现，即使在 500 摄氏度下保持 48 小时，触点在结构上仍然完好无损。

了解触点在极端温度下的性能是朝着该小组的下一个目标迈出的重要一步，即开发可以在金星表面工作的高性能晶体管。这种晶体管也可以在地球上用于电子产品，用于提取地热能或监测喷气发动机内部等应用。

“晶体管是大多数现代电子产品的核心，但我们不想直接制造氮化镓晶体管，因为很多事情都可能出错。我们首先想确保材料和触点能够存活下来，并弄清楚它们随着温度的升高而变化的程度。我们将用这些基本材料构建块设计我们的晶体管，“电气工程和计算机科学（EECS）研究生、该论文的主要作者John Niroula说。

他的合著者包括 Qingyun Xie 博士 ’24;袁梦阳博士，22届;EECS 研究生 Patrick K. Darmawi-Iskandar 和 Pradyot Yadav;Gillian K. Micale，材料科学与工程系研究生;资深作者Tomás Palacios，EECS的Clarence J. LeBel教授，微系统技术实验室主任，电子研究实验室的成员;以及阿拉伯联合酋长国技术创新研究所的合作者 Nitul S. Rajput;俄亥俄州立大学的Siddharth Rajan;莱斯大学的Yuji Zhao;孟加拉国工程技术大学的纳迪姆·乔杜里（Nadim Chowdhury）。

调高热量

虽然氮化镓最近引起了人们的广泛关注，但在科学家了解其特性在不同条件下如何变化时，这种材料仍然落后于硅几十年。其中一种特性是电阻，即电流流过材料。

设备的整体电阻与其尺寸成反比。但是像半导体这样的设备有触点，可以将它们连接到其他电子产品。由这些电气连接引起的接触电阻无论设备尺寸如何，都保持固定。接触电阻过大会导致电子电路的功耗增加，工作频率降低。

“特别是当你使用更小的尺寸时，设备的性能往往最终会受到接触电阻的限制。人们对室温下的接触电阻有相对好的了解，但没有人真正研究过当你一直到500度时会发生什么，“Niroula说。

在他们的研究中，研究人员使用麻省理工学院的设施来构建氮化镓器件，称为传输长度方法结构，该器件由一系列电阻器组成。这些设备使他们能够测量材料和触点的电阻。

他们使用两种最常见的方法为这些设备添加了欧姆触点。第一种是将金属沉积到氮化镓上并将其加热到 825 摄氏度约 30 秒，这一过程称为退火。

第二种方法涉及去除大块的氮化镓，并使用高温技术在其位置重新生长高度掺杂的氮化镓，这一过程由俄亥俄州立大学的Rajan和他的团队领导。高度掺杂的材料含有额外的电子，有助于电流传导。

“再生方法通常会导致室温下较低的接触电阻，但我们想看看这些方法在高温下是否仍然有效，”Niroula说。

综合方法

他们以两种方式测试设备。他们在莱斯大学的合作者在赵的带领下，通过将设备放在达到500摄氏度的热卡盘上并立即进行电阻测量来进行短期测试。

在麻省理工学院，他们通过将设备放入该小组先前开发的专用熔炉中进行了长期实验。他们将设备留在室内长达72小时，以测量电阻如何随温度和时间变化。

麻省理工学院纳米学院（Aubrey N. Penn）和技术创新研究所（Nitul S. Rajput）的显微镜专家使用最先进的透射电子显微镜来观察这种高温如何影响氮化镓和原子水平的欧姆接触。

“我们以为触点或氮化镓材料本身会显着降解，但我们发现恰恰相反。用这两种方法进行的接触似乎非常稳定，“Niroula说。

虽然在如此高的温度下很难测量电阻，但他们的结果表明，即使在500度的温度下，接触电阻似乎也保持不变，持续约48小时。就像在室温下一样，再生过程带来了更好的性能。

这种材料在炉子里放了48小时后确实开始降解，但研究人员已经在努力提高长期性能。一种策略是添加保护绝缘体，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。

“在我们集团中，我们专注于创新的器件级研究，以推进微电子学的前沿，同时采用从材料级到电路级的系统方法。在这里，我们一路深入到物质层面，以深入理解事物。换言之，我们通过设计、建模和复杂制造，将设备级的进步转化为高温电子器件的电路级影响。我们也非常幸运能够与长期合作者建立密切的合作伙伴关系，“谢说。

这项工作部分由美国空军科学研究办公室、洛克希德马丁公司、半导体研究公司通过美国国防高级研究计划局、美国能源部、英特尔公司和孟加拉国工程技术大学资助。

制造和显微镜检查在麻省理工学院纳米实验室、俄亥俄州立大学半导体外延和分析实验室、俄勒冈大学先进材料表征中心和阿拉伯联合酋长国技术创新研究所进行。