אלקטרוניקה שמתריסה נגד החום של ונוס: כיצד גליום ניטריד יכול לחולל מהפכה בחקר החלל

חוקרים פונים לגליום ניטריד עבור יישומים בטמפרטורה גבוהה כגון וֵנוּס חקר, בשל יכולתו לעמוד בטמפרטורות מעל 500 מעלות צֶלסִיוּס.

מחקר שנערך לאחרונה על ידי MIT ומוסדות אחרים הראו שחומר זה, יחד עם המגעים האוהמיים שלו, נשאר יציב מבחינה מבנית גם בטמפרטורות גבוהות אלו. המחקר כלל בניית התקני גליום ניטריד ובדיקתם בתנאי טמפרטורה גבוהים, וחשף תוצאות מבטיחות עבור אלקטרוניקה עתידית בסביבות קיצוניות.

חקירת ונוס וגליום ניטריד

על פני השטח הלוהטים של נוגה, הטמפרטורות יכולות לטפס ל-480° צלזיוס/900° פרנהייט, שהוא חם מספיק כדי להמיס עופרת. זה הופך אותו למקום בלתי מסביר פנים עבור בני אדם ומכונות כאחד. אחת הסיבות לכך שמדענים עדיין לא הצליחו לשלוח רובר לפני השטח של כוכב הלכת היא שהאלקטרוניקה המבוססת על סיליקון אינה יכולה לפעול בטמפרטורות קיצוניות כל כך לפרק זמן ממושך.

עבור יישומים בטמפרטורה גבוהה כמו חקר ונוס, חוקרים פנו לאחרונה לגליום ניטריד, חומר ייחודי שיכול לעמוד בטמפרטורות של 500 מעלות או יותר.

החומר כבר נמצא בשימוש בחלק של מוצרי אלקטרוניקה יבשתיים, כמו מטענים לטלפונים ומגדלי טלפונים סלולריים, אבל למדענים אין הבנה טובה של האופן שבו התקני גליום ניטריד יתנהגו בטמפרטורות מעבר ל-300 מעלות, שהיא הגבול התפעולי של אלקטרוניקה סיליקון קונבנציונלית.

ממצאי מחקר על Gallium Nitride

במאמר חדש שפורסם ב מכתבי פיזיקה שימושיתשהוא חלק ממאמץ מחקר רב שנתי, צוות מדענים מ-MIT וממקומות אחרים ביקש לענות על שאלות מפתח לגבי תכונות החומר וביצועיו בטמפרטורות גבוהות במיוחד.

הם חקרו את השפעת הטמפרטורה על המגעים האוהמיים במכשיר גליום ניטריד. מגעים אוהמיים הם מרכיבי מפתח המחברים התקן מוליכים למחצה עם העולם החיצון.

החוקרים מצאו שטמפרטורות קיצוניות לא גרמו להתדרדרות משמעותית לחומר הגליום ניטריד או למגעים. הם הופתעו לראות שהמגעים נשארו שלמים מבחינה מבנית גם כשהם מוחזקים ב-500 מעלות צלזיוס במשך 48 שעות.

כיוונים עתידיים באלקטרוניקה בטמפרטורה גבוהה

הבנת אופן הפעולה של אנשי הקשר בטמפרטורות קיצוניות היא צעד חשוב לקראת המטרה הבאה של הקבוצה לפתח טרנזיסטורים בעלי ביצועים גבוהים שיכולים לפעול על פני השטח של נוגה. טרנזיסטורים כאלה יכולים לשמש גם על פני כדור הארץ באלקטרוניקה ליישומים כמו הפקת אנרגיה גיאותרמית או ניטור פנים של מנועי סילון.

"טרנזיסטורים הם הלב של רוב האלקטרוניקה המודרנית, אבל לא רצינו לקפוץ ישר לייצור טרנזיסטור גליום ניטריד כי כל כך הרבה יכול להשתבש. תחילה רצינו לוודא שהחומר והמגעים יכולים לשרוד, ולהבין כמה הם משתנים ככל שאתה מעלה את הטמפרטורה. אנו נתכנן את הטרנזיסטור שלנו מאבני הבניין החומריות הבסיסיות הללו", אומר ג'ון נירולה, סטודנט לתואר שני בהנדסת חשמל ומדעי המחשב (EECS) והמחבר הראשי של המאמר.

מחבריו המשותפים כוללים את צ'ינגיון שיה דוקטורט '24; Mengyang Yuan PhD '22; סטודנטים לתואר שני ב-EECS פטריק ק. דרמאווי-איסקנדר ופרדיות ידב; Gillian K. Micale, סטודנטית לתואר שני במחלקה למדע והנדסת חומרים; הסופר הבכיר Tomás Palacios, הפרופסור של Clarence J. LeBel ל-EECS, מנהל המעבדות לטכנולוגיה של מיקרו-מערכות, וחבר במעבדת המחקר לאלקטרוניקה; כמו גם משתפי הפעולה Nitul S. Rajput מהמכון לחדשנות טכנולוגית של איחוד האמירויות; סידהארט רג'אן מאוניברסיטת אוהיו סטייט; יוג'י ז'או מאוניברסיטת רייס; ונדים צ'ודהורי מאוניברסיטת בנגלדש להנדסה וטכנולוגיה.

התנגדות וביצועים תחת חום

בעוד שגליום ניטריד משך לאחרונה תשומת לב רבה, החומר עדיין נמצא בעשרות שנים מאחורי הסיליקון בכל הנוגע להבנתם של מדענים כיצד תכונותיו משתנות בתנאים שונים. תכונה אחת כזו היא התנגדות, זרימת זרם חשמלי דרך חומר.

ההתנגדות הכוללת של מכשיר עומדת ביחס הפוך לגודלו. אבל מכשירים כמו מוליכים למחצה יש אנשי קשר המחברים אותם לאלקטרוניקה אחרת. התנגדות למגע, הנגרמת על ידי חיבורים חשמליים אלה, נשארת קבועה ללא קשר לגודל המכשיר. התנגדות גדולה מדי למגע עלולה להוביל לפיזור הספק גבוה יותר ולתדרי פעולה איטיים יותר עבור מעגלים אלקטרוניים.

"במיוחד כאשר אתה הולך לממדים קטנים יותר, הביצועים של מכשיר לעתים קרובות מוגבלים על ידי התנגדות למגע. לאנשים יש הבנה טובה יחסית של התנגדות למגע בטמפרטורת החדר, אבל אף אחד לא באמת למד מה קורה כשעולים עד 500 מעלות", אומר נירולה.

מתודולוגיות ותוצאות בדיקה

לצורך המחקר שלהם, החוקרים השתמשו במתקנים ב-MIT.nano לבניית התקני גליום ניטריד הידועים כמבנים בשיטת אורך העברה, המורכבים מסדרה של נגדים. מכשירים אלו מאפשרים להם למדוד את ההתנגדות הן של החומר והן של המגעים.

הם הוסיפו אנשי קשר אוהם למכשירים אלה בשתי השיטות הנפוצות ביותר. הראשון כולל הפקדת מתכת על גליום ניטריד וחימום שלה ל-825 מעלות צלזיוס למשך כ-30 שניות, תהליך שנקרא חישול.

השיטה השנייה כוללת הסרה של נתחי גליום ניטריד ושימוש בטכנולוגיה בטמפרטורה גבוהה כדי להצמיח מחדש גליום ניטריד מסומם מאוד במקומו, תהליך שמוביל ראג'אן וצוותו במדינת אוהיו. החומר המסומם מאוד מכיל אלקטרונים נוספים שיכולים לתרום להולכת זרם.

"שיטת הצמיחה המחודשת מובילה בדרך כלל להתנגדות נמוכה יותר למגע בטמפרטורת החדר, אבל רצינו לראות אם השיטות הללו עדיין עובדות היטב בטמפרטורות גבוהות", אומר נירולה.

יציבות וביצועים בטמפרטורות גבוהות

הם בדקו מכשירים בשתי דרכים. משתפי הפעולה שלהם באוניברסיטת רייס, בראשות ז'או, ערכו בדיקות קצרות טווח על ידי הנחת מכשירים על צ'אק חם שהגיע ל-500 מעלות צלזיוס וביצוע מדידות התנגדות מיידיות.

ב-MIT, הם ערכו ניסויים ארוכי טווח על ידי הצבת מכשירים לתוך תנור מיוחד שהקבוצה פיתחה בעבר. הם השאירו מכשירים בפנים עד 72 שעות כדי למדוד כיצד משתנה ההתנגדות כפונקציה של טמפרטורה וזמן.

יציבות ושיפורים לטווח ארוך

מומחי מיקרוסקופיה ב-MIT.nano (אוברי נ. פן) והמכון לחדשנות טכנולוגית (Nitul S. Rajput) השתמשו במיקרוסקופים מתקדמים של אלקטרונים שידור כדי לראות כיצד טמפרטורות גבוהות כל כך משפיעות על גליום ניטריד ועל המגעים האוהמיים באטומי רָמָה.

"הלכנו לחשוב שהמגעים או חומר הגאליום ניטריד עצמו יתפרקו באופן משמעותי, אבל מצאנו את ההיפך. המגעים שנוצרו בשתי השיטות נראו יציבים להפליא", אומר נירולה.

למרות שקשה למדוד התנגדות בטמפרטורות גבוהות כל כך, התוצאות שלהם מצביעות על כך שנראה שהתנגדות מגע נשארת קבועה גם בטמפרטורות של 500 מעלות, במשך כ-48 שעות. ובדיוק כמו בטמפרטורת החדר, תהליך הצמיחה המחודש הוביל לביצועים טובים יותר.

החומר אכן החל להתכלות לאחר שהיה בכבשן במשך 48 שעות, אבל החוקרים כבר עובדים כדי להגביר את הביצועים לטווח ארוך. אסטרטגיה אחת כוללת הוספת מבודדי הגנה כדי למנוע מהחומר להיחשף ישירות לסביבה בטמפרטורה גבוהה.

סיכויי עתיד במיקרואלקטרוניקה

בהמשך, החוקרים מתכננים להשתמש במה שלמדו בניסויים אלה כדי לפתח טרנזיסטורי גליום ניטריד בטמפרטורה גבוהה.

"בקבוצה שלנו, אנו מתמקדים במחקר חדשני ברמת המכשיר לקידום גבולות המיקרואלקטרוניקה, תוך אימוץ גישה שיטתית על פני ההיררכיה, מרמת החומר ועד לרמת המעגל. כאן, ירדנו כל הדרך לרמה החומרית כדי להבין דברים לעומק. במילים אחרות, תרגמנו את ההתקדמות ברמת המכשיר להשפעה ברמת המעגל עבור אלקטרוניקה בטמפרטורה גבוהה, באמצעות עיצוב, מידול וייצור מורכב. אנחנו גם ברי מזל גדול שרקמנו שותפויות הדוקות עם משתפי הפעולה הוותיקים שלנו במסע הזה", אומר שי.

עבודה זו מומנה, בחלקה, על ידי משרד חיל האוויר האמריקאי למחקר מדעי, Lockheed Martin Corporation, תאגיד המחקר מוליכים למחצה באמצעות הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים של ארה"ב, משרד האנרגיה האמריקאי, Intel Corporation ואוניברסיטת בנגלדש להנדסה וטכנולוגיה.

ייצור ומיקרוסקופיה נערכו ב-MIT.nano, המעבדה לאפיטקסיה וניתוח מוליכים למחצה באוניברסיטת אוהיו סטייט, המרכז לאפיון חומרים מתקדמים ב- אוניברסיטת אורגוןוהמכון לחדשנות טכנולוגית של איחוד האמירויות הערביות.