Усиление внимания к полупроводникам нового поколения | Новости Массачусетского технологического института

Раскаленная поверхность Венеры, где температура может достигать 480 градусов по Цельсию (достаточно высокая, чтобы расплавить свинец), является негостеприимным местом как для людей, так и для машин. Одна из причин, по которой ученые до сих пор не смогли отправить марсоход на поверхность планеты, заключается в том, что кремниевая электроника не может работать при таких экстремальных температурах в течение длительного периода времени.

Для высокотемпературных применений, таких как исследование Венеры, исследователи недавно обратились к нитриду галлия, уникальному материалу, который может выдерживать температуры 500 градусов и более.

Этот материал уже используется в некоторой земной электронике, например, в зарядных устройствах для телефонов и вышках сотовой связи, но у ученых нет четкого представления о том, как устройства из нитрида галлия будут вести себя при температурах выше 300 градусов, что является эксплуатационным пределом обычной кремниевой электроники.

В новая статья, опубликованная в Письма по прикладной физике, Это часть многолетних исследовательских усилий, группа ученых из Массачусетского технологического института и других стран стремилась ответить на ключевые вопросы о свойствах и характеристиках материала при экстремально высоких температурах.

Они исследовали влияние температуры на омические контакты в устройстве из нитрида галлия. Омические контакты являются ключевыми компонентами, которые соединяют полупроводниковое устройство с внешним миром.

Исследователи обнаружили, что экстремальные температуры не вызвали существенного ухудшения качества материала или контактов из нитрида галлия. Они были удивлены, увидев, что контакты остались структурно неповрежденными даже при выдержке при температуре 500 градусов по Цельсию в течение 48 часов.

Понимание того, как контакты ведут себя при экстремальных температурах, является важным шагом на пути к следующей цели группы — разработке высокопроизводительных транзисторов, которые могли бы работать на поверхности Венеры. Такие транзисторы также могут быть использованы на Земле в электронике для таких приложений, как извлечение геотермальной энергии или мониторинг внутренней части реактивных двигателей.

«Транзисторы — это сердце большинства современной электроники, но мы не хотели сразу переходить к созданию транзистора из нитрида галлия, потому что очень многое может пойти не так. Сначала мы хотели убедиться, что материал и контакты выживут, и выяснить, насколько они изменяются при повышении температуры. Мы спроектируем наш транзистор из этих основных строительных блоков», — говорит Джон Нирула, аспирант электротехники и информатики (EECS) и ведущий автор статьи.

Среди его соавторов: Цинъюнь Се, доктор философии ’24; Мэнъян Юань, доктор философии ’22; аспиранты EECS Патрик К. Дармави-Искандар и Прадьот Ядав; Джиллиан К. Микале, аспирантка факультета материаловедения и инженерии; старший автор Томас Паласиос, профессор EECS Кларенса Дж. Лебеля, директор Лабораторий микросистемных технологий и член Исследовательской лаборатории электроники; а также сотрудники Нитул С. Раджпут из Института технологических инноваций Объединенных Арабских Эмиратов; Сиддхартх Раджан из Университета штата Огайо; Юджи Чжао из Университета Райса; и Надим Чоудхури из Бангладешского инженерно-технологического университета.

Поднимаем жару

Хотя нитрид галлия в последнее время привлекает большое внимание, этот материал все еще на десятилетия отстает от кремния, когда дело доходит до понимания учеными того, как его свойства изменяются в различных условиях. Одним из таких свойств является сопротивление, течение электрического тока через материал.

Общее сопротивление устройства обратно пропорционально его размеру. Но такие устройства, как полупроводники, имеют контакты, которые соединяют их с другой электроникой. Контактное сопротивление, вызванное этими электрическими соединениями, остается постоянным независимо от размера устройства. Слишком большое контактное сопротивление может привести к увеличению рассеиваемой мощности и снижению рабочих частот электронных схем.

«Особенно когда вы переходите к меньшим размерам, производительность устройства часто ограничивается контактным сопротивлением. Люди относительно хорошо понимают контактное сопротивление при комнатной температуре, но никто толком не изучал, что происходит, когда температура достигает 500 градусов», — говорит Нирула.

Для своего исследования исследователи использовали возможности MIT.nano для создания устройств из нитрида галлия, известных как структуры метода длины переноса, которые состоят из ряда резисторов. Эти устройства позволяют измерять сопротивление как материала, так и контактов.

К этим устройствам они добавили омические контакты двумя наиболее распространенными способами. Первый предполагает нанесение металла на нитрид галлия и его нагрев до 825 градусов Цельсия в течение примерно 30 секунд (процесс, называемый отжигом).

Второй метод предполагает удаление кусков нитрида галлия и использование высокотемпературной технологии для повторного выращивания на его месте высоколегированного нитрида галлия. Этот процесс возглавляют Раджан и его команда из штата Огайо. Высоколегированный материал содержит дополнительные электроны, которые могут способствовать проводимости тока.

«Метод повторного выращивания обычно приводит к снижению контактного сопротивления при комнатной температуре, но мы хотели проверить, работают ли эти методы по-прежнему хорошо при высоких температурах», — говорит Нирула.

Комплексный подход

Они тестировали устройства двумя способами. Их сотрудники из Университета Райса под руководством Чжао провели краткосрочные испытания, поместив устройства на горячий патрон, температура которого достигла 500 градусов по Цельсию, и немедленно измерив сопротивление.

В Массачусетском технологическом институте они провели долгосрочные эксперименты, поместив устройства в специальную печь, ранее разработанную группой. Они оставляли устройства внутри на срок до 72 часов, чтобы измерить, как меняется сопротивление в зависимости от температуры и времени.

Эксперты по микроскопии из Массачусетского технологического института (Обри Н. Пенн) и Института технологических инноваций (Нитул С. Раджпут) использовали современные трансмиссионные электронные микроскопы, чтобы увидеть, как такие высокие температуры влияют на нитрид галлия и омические контакты на атомных элементах. уровень.

«Мы думали, что контакты или сам материал нитрида галлия значительно ухудшятся, но обнаружили обратное. Контакты, установленные обоими методами, оказались удивительно стабильными», — говорит Нирула.

Хотя измерить сопротивление при таких высоких температурах сложно, их результаты показывают, что контактное сопротивление остается постоянным даже при температуре 500 градусов в течение примерно 48 часов. И, как и при комнатной температуре, процесс восстановления привел к улучшению производительности.

Материал действительно начал разлагаться после 48 часов пребывания в печи, но исследователи уже работают над повышением долгосрочных характеристик. Одна из стратегий предполагает добавление защитных изоляторов, чтобы защитить материал от прямого воздействия высокотемпературной среды.

В дальнейшем исследователи планируют использовать то, что они узнали в ходе этих экспериментов, для разработки высокотемпературных транзисторов на основе нитрида галлия.

«В нашей группе мы уделяем особое внимание инновационным исследованиям на уровне устройств, чтобы продвинуть границы микроэлектроники, применяя при этом системный подход по всей иерархии, от уровня материала до уровня схемы. Здесь мы спустились до материального уровня, чтобы глубже понять вещи. Другими словами, мы превратили достижения на уровне устройств в воздействие на уровне схем для высокотемпературной электроники посредством проектирования, моделирования и сложного производства. Нам также очень повезло, что мы установили тесные партнерские отношения с нашими давними сотрудниками на этом пути», — говорит Се.

Эта работа частично финансировалась Управлением научных исследований ВВС США, корпорацией Lockheed Martin, Корпорацией исследований полупроводников через Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, Министерством энергетики США, корпорацией Intel и Инженерным университетом Бангладеш. и технологии.

Изготовление и микроскопия проводились в MIT.nano, Лаборатории эпитаксии и анализа полупроводников Университета штата Огайо, Центре передовых характеристик материалов при Университете Орегона и Институте технологических инноваций Объединенных Арабских Эмиратов.