La abrasadora superficie de Venus, donde las temperaturas pueden alcanzar los 480°C (lo suficientemente caliente como para derretir el plomo), es un lugar inhóspito tanto para los humanos como para las máquinas. Una de las razones por las que los científicos aún no han podido enviar un vehículo explorador a la superficie del planeta es que la electrónica basada en silicio no puede funcionar en temperaturas tan extremas durante un período de tiempo prolongado.
Para aplicaciones de alta temperatura como la exploración de Venus, los investigadores han recurrido recientemente al nitruro de galio, un material único que puede soportar temperaturas de 500° o más.
El material ya se utiliza en algunos dispositivos electrónicos terrestres, como cargadores de teléfonos y torres de telefonía celular, pero los científicos no tienen una buena idea de cómo se comportarían los dispositivos de nitruro de galio a temperaturas superiores a 300°, que es el límite operativo de los dispositivos electrónicos de silicio convencionales.
En un nuevo artículo publicado en Applied Physics Letters , que es parte de un esfuerzo de investigación de varios años, un equipo de científicos del MIT y otros lugares buscó responder preguntas clave sobre las propiedades y el rendimiento del material a temperaturas extremadamente altas.
Estudiaron el impacto de la temperatura en los contactos óhmicos de un dispositivo de nitruro de galio. Los contactos óhmicos son componentes clave que conectan un dispositivo semiconductor con el mundo exterior.
Los investigadores descubrieron que las temperaturas extremas no causaban una degradación significativa del material ni de los contactos de nitruro de galio. Se sorprendieron al ver que los contactos permanecían estructuralmente intactos incluso cuando se mantuvieron a 500 °C durante 48 horas.
Comprender cómo funcionan los contactos a temperaturas extremas es un paso importante hacia el próximo objetivo del grupo de desarrollar transistores de alto rendimiento que puedan funcionar en la superficie de Venus. Estos transistores también podrían utilizarse en la Tierra en electrónica para aplicaciones como la extracción de energía geotérmica o la monitorización del interior de los motores a reacción.
"Los transistores son el corazón de la mayoría de la electrónica moderna, pero no queríamos saltar directamente a fabricar un transistor de nitruro de galio porque muchas cosas podrían salir mal. Primero queríamos asegurarnos de que el material y los contactos pudieran sobrevivir, y determinar cuánto cambian a medida que aumenta la temperatura.
"Diseñaremos nuestro transistor a partir de estos componentes básicos de materiales", afirma John Niroula, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática (EECS) y autor principal del artículo.
Subiendo la temperatura
Si bien el nitruro de galio ha atraído mucha atención recientemente, el material todavía está décadas por detrás del silicio en lo que respecta a la comprensión de los científicos sobre cómo cambian sus propiedades en diferentes condiciones. Una de esas propiedades es la resistencia, el flujo de corriente eléctrica a través de un material.
La resistencia general de un dispositivo es inversamente proporcional a su tamaño. Pero los dispositivos como los semiconductores tienen contactos que los conectan a otros dispositivos electrónicos. La resistencia de contacto causada por estas conexiones eléctricas permanece fija sin importar el tamaño del dispositivo. Demasiada resistencia de contacto puede provocar una mayor disipación de energía y frecuencias de funcionamiento más lentas para los circuitos electrónicos.
"Especialmente cuando se van a dimensiones más pequeñas, el rendimiento de un dispositivo a menudo termina estando limitado por la resistencia de contacto. La gente tiene un conocimiento relativamente bueno de la resistencia de contacto a temperatura ambiente, pero nadie ha estudiado realmente lo que sucede cuando se llega hasta dimensiones más pequeñas. 500°", dice Niroula.
Para su estudio, los investigadores utilizaron las instalaciones de MIT.nano para construir dispositivos de nitruro de galio conocidos como estructuras de método de longitud de transferencia, que se componen de una serie de resistencias. Estos dispositivos les permiten medir la resistencia tanto del material como de los contactos.
Agregaron contactos óhmicos a estos dispositivos utilizando los dos métodos más comunes. El primero consiste en depositar metal sobre nitruro de galio y calentarlo a 825 °C durante unos 30 segundos, un proceso llamado recocido.
El segundo método implica eliminar trozos de nitruro de galio y utilizar una tecnología de alta temperatura para volver a cultivar nitruro de galio altamente dopado en su lugar, un proceso dirigido por Rajan y su equipo en Ohio State. El material altamente dopado contiene electrones adicionales que pueden contribuir a la conducción de corriente.
"El método de rebrote normalmente conduce a una menor resistencia al contacto a temperatura ambiente, pero queríamos ver si estos métodos todavía funcionan bien a altas temperaturas", dice Niroula.
Probaron dispositivos de dos maneras. Sus colaboradores de la Universidad Rice, dirigidos por Zhao, realizaron pruebas a corto plazo colocando dispositivos en un plato caliente que alcanzaba los 500 °C y tomando medidas de resistencia inmediatas.
En el MIT, llevaron a cabo experimentos a más largo plazo colocando dispositivos en un horno especializado que el grupo había desarrollado previamente. Dejaron dispositivos en el interior durante hasta 72 horas para medir cómo cambia la resistencia en función de la temperatura y el tiempo.
Los expertos en microscopía del MIT.nano (Aubrey N. Penn) y el Instituto de Innovación Tecnológica (Nitul S. Rajput) utilizaron microscopios electrónicos de transmisión de última generación para ver cómo temperaturas tan altas afectan al nitruro de galio y los contactos óhmicos en el átomo. nivel.
"Pensamos que los contactos o el propio material de nitruro de galio se degradarían significativamente, pero descubrimos lo contrario. Los contactos realizados con ambos métodos parecían ser notablemente estables", dice Niroula.
Si bien es difícil medir la resistencia a temperaturas tan altas, sus resultados indican que la resistencia de contacto parece permanecer constante incluso a temperaturas de 500°, durante aproximadamente 48 horas. Y al igual que a temperatura ambiente, el proceso de nuevo crecimiento condujo a un mejor rendimiento.
El material comenzó a degradarse después de estar en el horno durante 48 horas, pero los investigadores ya están trabajando para mejorar el rendimiento a largo plazo. Una estrategia consiste en agregar aislantes protectores para evitar que el material quede expuesto directamente al ambiente de alta temperatura.
En el futuro, los investigadores planean utilizar lo que aprendieron en estos experimentos para desarrollar transistores de nitruro de galio de alta temperatura.
"En nuestro grupo, nos centramos en investigaciones innovadoras a nivel de dispositivos para avanzar las fronteras de la microelectrónica, al mismo tiempo que adoptamos un enfoque sistemático en toda la jerarquía, desde el nivel del material hasta el nivel del circuito. Aquí, hemos llegado hasta el nivel más bajo. nivel material para entender las cosas en profundidad.
"En otras palabras, hemos traducido los avances a nivel de dispositivo en impacto a nivel de circuito para la electrónica de alta temperatura, a través del diseño, modelado y fabricación compleja. También somos inmensamente afortunados de haber forjado asociaciones estrechas con nuestros colaboradores de toda la vida en este viaje". Xie dice.
