La torrida superficie di Venere, dove le temperature possono raggiungere i 480°C (abbastanza calda da sciogliere il piombo), è un luogo inospitale sia per gli esseri umani che per le macchine. Uno dei motivi per cui gli scienziati non sono ancora riusciti a inviare un rover sulla superficie del pianeta è che i componenti elettronici basati sul silicio non possono funzionare a temperature così estreme per un lungo periodo di tempo.
Per le applicazioni ad alta temperatura come l'esplorazione di Venere, i ricercatori si sono recentemente rivolti al nitruro di gallio, un materiale unico in grado di resistere a temperature di 500° o più.
Il materiale è già utilizzato in alcuni dispositivi elettronici terrestri, come caricabatterie per telefoni e ripetitori per cellulari, ma gli scienziati non hanno una buona conoscenza di come si comporterebbero i dispositivi al nitruro di gallio a temperature superiori a 300°, che è il limite operativo dell'elettronica convenzionale al silicio.
In un nuovo articolo pubblicato su Applied Physics Letters , che fa parte di un impegno di ricerca pluriennale, un team di scienziati del MIT e di altri paesi ha cercato di rispondere a domande chiave sulle proprietà e le prestazioni del materiale a temperature estremamente elevate.
Hanno studiato l'impatto della temperatura sui contatti ohmici in un dispositivo al nitruro di gallio. I contatti ohmici sono componenti chiave che collegano un dispositivo a semiconduttore con il mondo esterno.
I ricercatori hanno scoperto che le temperature estreme non causavano un degrado significativo del materiale o dei contatti del nitruro di gallio. Sono rimasti sorpresi nel vedere che i contatti sono rimasti strutturalmente intatti anche se mantenuti a 500°C per 48 ore.
Comprendere come funzionano i contatti a temperature estreme è un passo importante verso il prossimo obiettivo del gruppo di sviluppare transistor ad alte prestazioni che potrebbero funzionare sulla superficie di Venere. Tali transistor potrebbero essere utilizzati anche sulla Terra in campo elettronico per applicazioni come l'estrazione di energia geotermica o il monitoraggio dell'interno dei motori a reazione.
"I transistor sono il cuore dell'elettronica più moderna, ma non volevamo passare direttamente alla realizzazione di un transistor al nitruro di gallio perché molte cose potevano andare storte. Volevamo prima assicurarci che il materiale e i contatti potessero sopravvivere e capire quanto cambiano all'aumentare della temperatura.
"Progetteremo il nostro transistor partendo da questi elementi costitutivi di materiali di base", afferma John Niroula, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica (EECS) e autore principale dell'articolo.
Alzare il fuoco
Sebbene il nitruro di gallio abbia recentemente attirato molta attenzione, il materiale è ancora decenni indietro rispetto al silicio per quanto riguarda la comprensione da parte degli scienziati di come le sue proprietà cambiano in condizioni diverse. Una di queste proprietà è la resistenza, il flusso di corrente elettrica attraverso un materiale.
La resistenza complessiva di un dispositivo è inversamente proporzionale alle sue dimensioni. Ma dispositivi come i semiconduttori hanno contatti che li collegano ad altri dispositivi elettronici. La resistenza di contatto causata da questi collegamenti elettrici rimane fissa indipendentemente dalle dimensioni del dispositivo. Una resistenza di contatto eccessiva può portare a una maggiore dissipazione di potenza e a frequenze operative più lente per i circuiti elettronici.
"Soprattutto quando si arriva a dimensioni più piccole, le prestazioni di un dispositivo spesso finiscono per essere limitate dalla resistenza di contatto. Le persone hanno una conoscenza relativamente buona della resistenza di contatto a temperatura ambiente, ma nessuno ha veramente studiato cosa succede quando si arriva fino a 500°," dice Niroula.
Per il loro studio, i ricercatori hanno utilizzato le strutture del MIT.nano per costruire dispositivi al nitruro di gallio noti come strutture del metodo della lunghezza di trasferimento, che sono composti da una serie di resistori. Questi dispositivi consentono di misurare la resistenza sia del materiale che dei contatti.
Hanno aggiunto contatti ohmici a questi dispositivi utilizzando i due metodi più comuni. Il primo prevede il deposito del metallo sul nitruro di gallio e il riscaldamento a 825°C per circa 30 secondi, un processo chiamato ricottura.
Il secondo metodo prevede la rimozione di pezzi di nitruro di gallio e l’utilizzo di una tecnologia ad alta temperatura per far ricrescere al suo posto il nitruro di gallio altamente drogato, un processo guidato da Rajan e dal suo team presso l’Ohio State. Il materiale altamente drogato contiene elettroni extra che possono contribuire alla conduzione di corrente.
"Il metodo di ricrescita in genere porta a una minore resistenza di contatto a temperatura ambiente, ma volevamo vedere se questi metodi funzionavano ancora bene a temperature elevate", afferma Niroula.
Hanno testato i dispositivi in due modi. I loro collaboratori della Rice University, guidati da Zhao, hanno condotto test a breve termine posizionando i dispositivi su un mandrino caldo che ha raggiunto i 500°C ed effettuando misurazioni immediate della resistenza.
Al MIT, hanno condotto esperimenti a lungo termine inserendo i dispositivi in una fornace specializzata che il gruppo aveva precedentemente sviluppato. Hanno lasciato i dispositivi all'interno per un massimo di 72 ore per misurare come cambia la resistenza in funzione della temperatura e del tempo.
Gli esperti di microscopia del MIT.nano (Aubrey N. Penn) e del Technology Innovation Institute (Nitul S. Rajput) hanno utilizzato microscopi elettronici a trasmissione all'avanguardia per vedere come temperature così elevate influenzano il nitruro di gallio e i contatti ohmici nell'atomo. livello.
"Abbiamo pensato che i contatti o il materiale stesso del nitruro di gallio si sarebbero degradati in modo significativo, ma abbiamo scoperto il contrario. I contatti realizzati con entrambi i metodi sembravano essere notevolmente stabili", afferma Niroula.
Sebbene sia difficile misurare la resistenza a temperature così elevate, i risultati indicano che la resistenza di contatto sembra rimanere costante anche a temperature di 500°C, per circa 48 ore. E proprio come a temperatura ambiente, il processo di ricrescita ha portato a prestazioni migliori.
Il materiale ha iniziato a degradarsi dopo essere rimasto nel forno per 48 ore, ma i ricercatori stanno già lavorando per migliorare le prestazioni a lungo termine. Una strategia prevede l'aggiunta di isolanti protettivi per evitare che il materiale venga esposto direttamente all'ambiente ad alta temperatura.
Andando avanti, i ricercatori intendono utilizzare ciò che hanno imparato in questi esperimenti per sviluppare transistor al nitruro di gallio ad alta temperatura.
"Nel nostro gruppo ci concentriamo sulla ricerca innovativa a livello di dispositivo per far avanzare le frontiere della microelettronica, adottando al contempo un approccio sistematico attraverso la gerarchia, dal livello materiale a quello circuitale. In questo caso siamo scesi fino al livello livello materiale per comprendere le cose in profondità.
"In altre parole, abbiamo tradotto i progressi a livello di dispositivo in un impatto a livello di circuito per l'elettronica ad alta temperatura, attraverso la progettazione, la modellazione e la fabbricazione complessa. Siamo anche immensamente fortunati ad aver stretto strette collaborazioni con i nostri collaboratori di lunga data in questo viaggio," Xie dice.
