Forscher untersuchen Eigenschaften neuartiger Materialien für Elektronik, die in extrem heißen Umgebungen betrieben werden

Die glühend heiße Oberfläche der Venus, auf der die Temperaturen bis zu 480 °C erreichen können (heiß genug, um Blei zu schmelzen), ist für Mensch und Maschine gleichermaßen ein unwirtlicher Ort. Ein Grund, warum Wissenschaftler bisher noch keinen Rover auf die Oberfläche des Planeten schicken konnten, ist, dass siliziumbasierte Elektronik bei solch extremen Temperaturen über einen längeren Zeitraum nicht funktionieren kann.

Für Hochtemperaturanwendungen wie die Erforschung der Venus haben sich Forscher kürzlich Galliumnitrid zugewandt, einem einzigartigen Material, das Temperaturen von 500 °C und mehr standhalten kann.

Das Material wird bereits in einigen terrestrischen Elektronikgeräten wie Telefonladegeräten und Mobilfunkmasten verwendet. Wissenschaftler haben jedoch keine genaue Vorstellung davon, wie sich Galliumnitrid-Geräte bei Temperaturen über 300 °C verhalten würden, was die Betriebsgrenze herkömmlicher Siliziumelektronik darstellt.

In einem neues Papier veröffentlicht in Angewandte Physik Briefedas Teil eines mehrjährigen Forschungsprojekts ist, versuchte ein Team von Wissenschaftlern vom MIT und anderswo, wichtige Fragen zu den Eigenschaften und der Leistung des Materials bei extrem hohen Temperaturen zu beantworten.

Sie untersuchten den Einfluss der Temperatur auf die ohmschen Kontakte in einem Galliumnitrid-Gerät. Ohmsche Kontakte sind Schlüsselkomponenten, die ein Halbleiterbauelement mit der Außenwelt verbinden.

Die Forscher stellten fest, dass extreme Temperaturen keine nennenswerte Verschlechterung des Galliumnitridmaterials oder der Kontakte verursachten. Sie waren überrascht, dass die Kontakte selbst bei 500 °C für 48 Stunden strukturell intakt blieben.

Das Verständnis, wie Kontakte bei extremen Temperaturen funktionieren, ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum nächsten Ziel der Gruppe: der Entwicklung von Hochleistungstransistoren, die auf der Oberfläche der Venus funktionieren könnten. Solche Transistoren könnten auch auf der Erde in der Elektronik für Anwendungen wie die Gewinnung geothermischer Energie oder die Überwachung des Inneren von Düsentriebwerken eingesetzt werden.

„Transistoren sind das Herzstück der meisten modernen elektronischen Geräte, aber wir wollten nicht gleich mit der Herstellung eines Galliumnitrid-Transistors beginnen, da so viel schiefgehen könnte. Wir wollten zunächst sicherstellen, dass das Material und die Kontakte dies überstehen, und herausfinden, wie stark sie sich bei steigender Temperatur verändern.

„Wir werden unseren Transistor aus diesen grundlegenden Materialbausteinen entwerfen“, sagt John Niroula, ein Doktorand der Elektrotechnik und Informatik (EECS) und Hauptautor der Arbeit.

Die Hitze aufdrehen

Während Galliumnitrid in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erregt hat, liegt das Material immer noch Jahrzehnte hinter Silizium zurück, wenn es darum geht, zu verstehen, wie sich seine Eigenschaften unter verschiedenen Bedingungen ändern. Eine dieser Eigenschaften ist der Widerstand, der Stromfluss durch ein Material.

Der Gesamtwiderstand eines Geräts ist umgekehrt proportional zu seiner Größe. Aber Geräte wie Halbleiter verfügen über Kontakte, die sie mit anderer Elektronik verbinden. Der Kontaktwiderstand, der durch diese elektrischen Verbindungen verursacht wird, bleibt unabhängig von der Größe des Geräts konstant. Ein zu hoher Kontaktwiderstand kann zu einer höheren Verlustleistung und langsameren Betriebsfrequenzen elektronischer Schaltkreise führen.

„Besonders wenn man zu kleineren Dimensionen geht, wird die Leistung eines Geräts oft durch den Kontaktwiderstand begrenzt. Die Leute haben ein relativ gutes Verständnis für den Kontaktwiderstand bei Raumtemperatur, aber niemand hat wirklich untersucht, was passiert, wenn man ganz nach oben geht.“ 500°“, sagt Niroula.

Für ihre Studie nutzten die Forscher Einrichtungen am MIT.nano, um Galliumnitrid-Bauelemente zu bauen, die als Transfer Length Method-Strukturen bekannt sind und aus einer Reihe von Widerständen bestehen. Diese Bauelemente ermöglichen es ihnen, den Widerstand sowohl des Materials als auch der Kontakte zu messen.

Sie fügten diesen Geräten mithilfe der beiden gängigsten Methoden ohmsche Kontakte hinzu. Bei der ersten Methode wird Metall auf Galliumnitrid abgeschieden und für etwa 30 Sekunden auf 825 °C erhitzt, ein Prozess, der als Glühen bezeichnet wird.

Die zweite Methode besteht darin, Galliumnitridbrocken zu entfernen und mithilfe einer Hochtemperaturtechnologie an ihrer Stelle hochdotiertes Galliumnitrid nachwachsen zu lassen, ein Prozess, der von Rajan und seinem Team an der Ohio State geleitet wurde. Das hochdotierte Material enthält zusätzliche Elektronen, die zur Stromleitung beitragen können.

„Die Regrowth-Methode führt bei Raumtemperatur normalerweise zu einem geringeren Kontaktwiderstand, aber wir wollten sehen, ob diese Methoden bei hohen Temperaturen immer noch gut funktionieren“, sagt Niroula.

Ein umfassender Ansatz

Sie testeten die Geräte auf zwei Arten. Ihre Mitarbeiter an der Rice University unter der Leitung von Zhao führten Kurzzeittests durch, indem sie die Geräte auf eine heiße, bis zu 500 °C heiße Platte legten und sofort den Widerstand maßen.

Am MIT führten sie längerfristige Experimente durch, indem sie Geräte in einen speziellen Ofen platzierten, den die Gruppe zuvor entwickelt hatte. Sie ließen die Geräte bis zu 72 Stunden lang im Inneren, um zu messen, wie sich der Widerstand in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit ändert.

Mikroskopieexperten am MIT.nano (Aubrey N. Penn) und am Technology Innovation Institute (Nitul S. Rajput) nutzten modernste Transmissionselektronenmikroskope, um zu sehen, wie sich solch hohe Temperaturen auf Galliumnitrid und die ohmschen Kontakte am Atom auswirken Ebene.

„Wir gingen davon aus, dass sich die Kontakte oder das Galliumnitrid-Material selbst deutlich zersetzen würden, aber wir fanden das Gegenteil. Die mit beiden Methoden hergestellten Kontakte schienen bemerkenswert stabil zu sein“, sagt Niroula.

Obwohl es schwierig ist, den Widerstand bei so hohen Temperaturen zu messen, deuten ihre Ergebnisse darauf hin, dass der Kontaktwiderstand selbst bei Temperaturen von 500 °C für etwa 48 Stunden konstant zu bleiben scheint. Und genau wie bei Raumtemperatur führte der Neuwachstumsprozess zu einer besseren Leistung.

Nach 48 Stunden im Ofen begann sich das Material zwar zu zersetzen, doch die Forscher arbeiten bereits daran, die Langzeitleistung zu steigern. Eine Strategie besteht darin, Schutzisolatoren hinzuzufügen, um zu verhindern, dass das Material direkt der Hochtemperaturumgebung ausgesetzt wird.

In Zukunft wollen die Forscher die Erkenntnisse aus diesen Experimenten nutzen, um Hochtemperatur-Galliumnitrid-Transistoren zu entwickeln.

„In unserer Gruppe konzentrieren wir uns auf innovative Forschung auf Geräteebene, um die Grenzen der Mikroelektronik voranzutreiben, und verfolgen dabei einen systematischen Ansatz über die gesamte Hierarchie hinweg, von der Materialebene bis zur Schaltungsebene. Hier sind wir bis hinunter zur Mikroelektronik vorgedrungen materielle Ebene, um die Dinge in der Tiefe zu verstehen.

„Mit anderen Worten: Wir haben Fortschritte auf Geräteebene durch Design, Modellierung und komplexe Fertigung auf Schaltkreisebene für Hochtemperaturelektronik übertragen. Wir sind außerdem sehr glücklich, auf diesem Weg enge Partnerschaften mit unseren langjährigen Partnern aufbauen zu können“, sagt Xie.

Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.