Forskere undersøger egenskaber af nye materialer til elektronik, der arbejder i ekstremt varme omgivelser

Skru op for varmen

Selvom galliumnitrid for nylig har tiltrukket sig stor opmærksomhed, er materialet stadig årtier bagefter silicium, når det kommer til videnskabsmænds forståelse af, hvordan dets egenskaber ændrer sig under forskellige forhold. En sådan egenskab er modstand, strømmen af ​​elektrisk strøm gennem et materiale.

En enheds samlede modstand er omvendt proportional med dens størrelse. Men enheder som halvledere har kontakter, der forbinder dem med anden elektronik. Kontaktmodstand, som er forårsaget af disse elektriske forbindelser, forbliver fast uanset størrelsen af ​​enheden. For meget kontaktmodstand kan føre til højere effekttab og langsommere driftsfrekvenser for elektroniske kredsløb.

"Især når man går til mindre dimensioner, ender en enheds ydeevne ofte med at blive begrænset af kontaktmodstand. Folk har en forholdsvis god forståelse af kontaktmodstand ved stuetemperatur, men ingen har rigtigt undersøgt, hvad der sker, når man går helt op til 500°," siger Niroula.

Til deres undersøgelse brugte forskerne faciliteter på MIT.nano til at bygge galliumnitrid-enheder kendt som overføringslængdemetodestrukturer, som er sammensat af en række modstande. Disse enheder gør dem i stand til at måle modstanden af ​​både materialet og kontakterne.

De tilføjede ohmske kontakter til disse enheder ved hjælp af de to mest almindelige metoder. Den første involverer aflejring af metal på galliumnitrid og opvarmning til 825°C i omkring 30 sekunder, en proces kaldet udglødning.

Den anden metode involverer at fjerne bidder af galliumnitrid og bruge en højtemperaturteknologi til at gendyrke højt dopet galliumnitrid i stedet for, en proces ledet af Rajan og hans team i Ohio State. Det stærkt dopede materiale indeholder ekstra elektroner, der kan bidrage til strømledningen.

"Genvækstmetoden fører typisk til lavere kontaktmodstand ved stuetemperatur, men vi ønskede at se, om disse metoder stadig fungerer godt ved høje temperaturer," siger Niroula.

En omfattende tilgang

De testede enheder på to måder. Deres samarbejdspartnere ved Rice University, ledet af Zhao, udførte korttidstest ved at placere enheder på en varm chuck, der nåede 500°C og tage øjeblikkelige modstandsmålinger.

På MIT udførte de længerevarende eksperimenter ved at placere enheder i en specialiseret ovn, som gruppen tidligere udviklede. De efterlod enheder inde i op til 72 timer for at måle, hvordan modstanden ændrer sig som funktion af temperatur og tid.

Mikroskopieksperter ved MIT.nano (Aubrey N. Penn) og Technology Innovation Institute (Nitul S. Rajput) brugte state-of-the-art transmissionselektronmikroskoper til at se, hvordan så høje temperaturer påvirker galliumnitrid og de ohmske kontakter ved atomaren niveau.

"Vi troede, at kontakterne eller selve galliumnitridmaterialet ville nedbrydes betydeligt, men vi fandt det modsatte. Kontakter skabt med begge metoder syntes at være bemærkelsesværdigt stabile," siger Niroula.

Selvom det er vanskeligt at måle modstand ved så høje temperaturer, indikerer deres resultater, at kontaktmodstanden synes at forblive konstant selv ved temperaturer på 500°, i omkring 48 timer. Og ligesom ved stuetemperatur førte genvækstprocessen til bedre ydeevne.

Materialet begyndte at nedbrydes efter at have været i ovnen i 48 timer, men forskerne arbejder allerede på at øge den langsigtede ydeevne. En strategi involverer tilføjelse af beskyttende isolatorer for at forhindre, at materialet bliver direkte udsat for højtemperaturmiljøet.

Fremover planlægger forskerne at bruge det, de lærte i disse eksperimenter, til at udvikle højtemperatur-galliumnitridtransistorer.

"I vores gruppe fokuserer vi på innovativ forskning på enhedsniveau for at fremme mikroelektronikkens grænser, mens vi anvender en systematisk tilgang på tværs af hierarkiet, fra materialeniveau til kredsløbsniveau. Her er vi gået helt ned til materialeniveau for at forstå tingene i dybden.

"Med andre ord har vi oversat fremskridt på enhedsniveau til effekt på kredsløbsniveau for højtemperaturelektronik gennem design, modellering og kompleks fremstilling. Vi er også umådeligt heldige at have etableret tætte partnerskaber med vores mangeårige samarbejdspartnere i denne rejse." siger Xie.