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Elevando la temperatura de los semiconductores de próxima generación

Elevando la temperatura de los semiconductores de próxima generación

La abrasadora superficie de Venus, donde las temperaturas pueden alcanzar los 480 grados Celsius (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 a temperaturas extremas durante un largo período de tiempo.

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 grados 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 comprenden bien cómo se comportan los dispositivos de nitruro de galio a temperaturas superiores a los 300 grados, el límite operativo de los dispositivos electrónicos de silicio tradicionales.

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en Nuevo artículo publicado en Letras de Física Aplicada, Como parte de un esfuerzo de investigación de varios años, un equipo de científicos del MIT y de otros lugares buscó responder preguntas clave sobre las propiedades y el rendimiento del material a temperaturas extremadamente altas.

Estudiaron el efecto de la temperatura sobre los contactos óhmicos en 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 de nitruro de galio ni de sus contactos. Se sorprendieron al ver que los puntos de contacto permanecían estructuralmente sanos incluso cuando se mantuvieron a 500°C durante 48 horas.

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Comprender cómo funcionan las comunicaciones 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 los dispositivos electrónicos modernos, pero no queríamos lanzarnos directamente a fabricar un transistor de nitruro de galio porque muchas cosas podrían salir mal, primero queríamos asegurarnos de que los materiales y los contactos permanecieran, y ver en qué medida. cambió a medida que aumentó la temperatura, estudiante de posgrado en Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) y autor principal del artículo: «Diseñaremos nuestro propio transistor a partir de estos elementos básicos de materiales básicos».

subir la temperatura

Si bien el nitruro de galio ha atraído mucha atención recientemente, el material todavía está por detrás del silicio por décadas cuando se trata de que los científicos comprendan cómo cambian sus propiedades en diferentes condiciones. Una de estas propiedades es la resistencia, que es el flujo de corriente eléctrica a través de un material.

La resistencia total del dispositivo es inversamente proporcional a su tamaño. Pero los dispositivos como los semiconductores tienen puntos de contacto que los conectan con otros dispositivos electrónicos. La resistencia de contacto resultante de estas conexiones eléctricas permanece constante independientemente del tamaño del dispositivo. Una resistencia de contacto demasiado grande puede provocar una mayor disipación de potencia y frecuencias de funcionamiento más lentas para los circuitos electrónicos.

«Especialmente cuando se utilizan dimensiones más pequeñas, el rendimiento del dispositivo suele estar 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 la temperatura alcanza los 500 grados», dice Niroula. .

En 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 constan 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 primer método consiste en colocar el metal en nitruro de galio y calentarlo a 825°C durante unos 30 segundos, un proceso llamado recocido.

El segundo método consiste en retirar trozos de nitruro de galio y utilizar 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. Un material altamente energizado contiene electrones adicionales que pueden contribuir a conducir la corriente.

«El método de rebrote normalmente da como resultado una baja resistencia al contacto a temperatura ambiente, pero queríamos ver si estos métodos todavía funcionaban bien a altas temperaturas», dice Niroula.

Enfoque integral

Probaron los dispositivos de dos maneras. Sus colaboradores de la Universidad Rice, dirigidos por Zhao, realizaron pruebas a corto plazo colocando los dispositivos en un plato calentado a 500 grados Celsius y tomando medidas de resistencia instantáneas.

En el MIT, llevaron a cabo experimentos a largo plazo colocando los dispositivos en un horno especializado que el grupo había desarrollado previamente. Dejaron los dispositivos en el interior durante hasta 72 horas para medir cómo cambiaba la resistencia en función de la temperatura y el tiempo.

Los expertos en microscopía del MIT (Aubrey N. Penn) y del Instituto de Innovación Tecnológica (Nitul S. Rajput) utilizaron microscopios electrónicos de transmisión de última generación para ver cómo estas altas temperaturas afectan al nitruro de galio y a los contactos óhmicos en el átomo. nivel.

«Pensábamos que los contactos o el propio material de nitruro de galio se degradarían drásticamente, pero descubrimos lo contrario. Parecía que los contactos realizados con ambos métodos eran notablemente estables», dice Niroula.

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Si bien es difícil medir la resistencia a temperaturas tan altas, sus resultados indican que la resistencia de contacto parece constante incluso a temperaturas de 500 grados, durante aproximadamente 48 horas. Al igual que a temperatura ambiente, el proceso de rebrote resultó en un mejor rendimiento.

El material comenzó a degradarse después de haber sido colocado en el horno durante 48 horas, pero los investigadores ya están trabajando para mejorar su 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, adoptando un enfoque sistemático en toda la jerarquía, desde el nivel de materiales hasta el nivel de circuito. Aquí, hemos alcanzado el nivel físico para comprender las cosas en profundidad. En otras palabras, hemos trasladado los desarrollos al nivel de dispositivo al impacto a nivel de circuito para la electrónica de alta temperatura, a través de un diseño, modelado y fabricación complejos. También somos muy afortunados de haber establecido asociaciones estrechas con nuestros colaboradores de toda la vida en este viaje. .

referencia: Nirula G, Shih Q, Rajput NS, et al. Estabilidad a alta temperatura de contactos óhmicos regenerados aleados con heteroestructura AlGaN/GaN hasta 500 °C. Letras de Física Aplicada. 2024;124(20):202103. doi: 10.1063/5.0191297

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