A superfície escaldante de Vênus, onde as temperaturas podem subir até 480°C (quente o suficiente para derreter o chumbo), é um lugar inóspito tanto para humanos quanto para máquinas. Uma razão pela qual os cientistas ainda não conseguiram enviar um veículo espacial à superfície do planeta é que a electrónica baseada em silício não pode operar em temperaturas tão extremas durante um longo período de tempo.



Para aplicações de alta temperatura, como a exploração de Vênus, os pesquisadores recorreram recentemente ao nitreto de gálio, um material único que pode suportar temperaturas de 500° ou mais.

O material já é usado em alguns eletrônicos terrestres, como carregadores de telefone e torres de telefonia celular, mas os cientistas não têm uma boa noção de como os dispositivos de nitreto de gálio se comportariam em temperaturas acima de 300°C, que é o limite operacional dos eletrônicos convencionais de silício.

Em um novo artigo publicado em Applied Physics Letters , que faz parte de um esforço de pesquisa plurianual, uma equipe de cientistas do MIT e de outros lugares procurou responder a questões importantes sobre as propriedades e o desempenho do material em temperaturas extremamente altas.

Eles estudaram o impacto da temperatura nos contatos ôhmicos de um dispositivo de nitreto de gálio. Os contatos ôhmicos são componentes-chave que conectam um dispositivo semicondutor ao mundo exterior.

Os pesquisadores descobriram que temperaturas extremas não causaram degradação significativa no material ou nos contatos de nitreto de gálio. Eles ficaram surpresos ao ver que os contatos permaneceram estruturalmente intactos mesmo quando mantidos a 500°C por 48 horas.

Compreender o desempenho dos contatos em temperaturas extremas é um passo importante em direção ao próximo objetivo do grupo de desenvolver transistores de alto desempenho que possam operar na superfície de Vênus. Esses transistores também poderiam ser usados ​​na Terra em eletrônica para aplicações como extração de energia geotérmica ou monitoramento do interior de motores a jato.

"Os transistores são o coração da maioria dos eletrônicos modernos, mas não queríamos ir direto para a fabricação de um transistor de nitreto de gálio porque muita coisa poderia dar errado. Primeiro queríamos ter certeza de que o material e os contatos poderiam sobreviver e descobrir quanto eles mudam conforme você aumenta a temperatura.

"Projetaremos nosso transistor a partir desses blocos de construção de materiais básicos", diz John Niroula, estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) e principal autor do artigo.

Aumentando o aquecimento

Embora o nitreto de gálio tenha recentemente atraído muita atenção, o material ainda está décadas atrás do silício no que diz respeito à compreensão dos cientistas sobre como as suas propriedades mudam sob diferentes condições. Uma dessas propriedades é a resistência, o fluxo de corrente elétrica através de um material.

A resistência geral de um dispositivo é inversamente proporcional ao seu tamanho. Mas dispositivos como os semicondutores possuem contatos que os conectam a outros componentes eletrônicos. A resistência de contato, causada por essas conexões elétricas, permanece fixa independentemente do tamanho do dispositivo. Muita resistência de contato pode levar a maior dissipação de energia e frequências operacionais mais lentas para circuitos eletrônicos.

"Especialmente quando você vai para dimensões menores, o desempenho de um dispositivo muitas vezes acaba sendo limitado pela resistência de contato. As pessoas têm uma compreensão relativamente boa da resistência de contato à temperatura ambiente, mas ninguém realmente estudou o que acontece quando você sobe até 500°", diz Niroula.

Para o estudo, os pesquisadores usaram instalações do MIT.nano para construir dispositivos de nitreto de gálio conhecidos como estruturas do método de comprimento de transferência, que são compostas por uma série de resistores. Esses dispositivos permitem medir a resistência tanto do material quanto dos contatos.

Eles adicionaram contatos ôhmicos a esses dispositivos usando os dois métodos mais comuns. A primeira envolve depositar metal em nitreto de gálio e aquecê-lo a 825°C por cerca de 30 segundos, um processo chamado recozimento.

O segundo método envolve a remoção de pedaços de nitreto de gálio e o uso de uma tecnologia de alta temperatura para regenerar nitreto de gálio altamente dopado em seu lugar, um processo liderado por Rajan e sua equipe no estado de Ohio. O material altamente dopado contém elétrons extras que podem contribuir para a condução de corrente.

“O método de regeneração normalmente leva a uma menor resistência de contato à temperatura ambiente, mas queríamos ver se esses métodos ainda funcionam bem em altas temperaturas”, diz Niroula.

Uma abordagem abrangente

Eles testaram dispositivos de duas maneiras. Seus colaboradores na Rice University, liderados por Zhao, realizaram testes de curto prazo colocando dispositivos em um mandril quente que atingiu 500°C e fazendo medições imediatas de resistência.

No MIT, eles conduziram experimentos de longo prazo, colocando dispositivos em um forno especializado desenvolvido anteriormente pelo grupo. Eles deixaram os dispositivos dentro de casa por até 72 horas para medir como a resistência muda em função da temperatura e do tempo.

Especialistas em microscopia do MIT.nano (Aubrey N. Penn) e do Technology Innovation Institute (Nitul S. Rajput) usaram microscópios eletrônicos de transmissão de última geração para ver como essas altas temperaturas afetam o nitreto de gálio e os contatos ôhmicos no nível atômico. nível.

“Pensámos que os contactos ou o próprio material de nitreto de gálio se degradariam significativamente, mas descobrimos o oposto. Os contactos feitos com ambos os métodos pareciam ser notavelmente estáveis”, diz Niroula.

Embora seja difícil medir a resistência a temperaturas tão elevadas, os seus resultados indicam que a resistência de contacto parece permanecer constante mesmo a temperaturas de 500°, durante cerca de 48 horas. E tal como à temperatura ambiente, o processo de regeneração levou a um melhor desempenho.

O material começou a se degradar após 48 horas no forno, mas os pesquisadores já estão trabalhando para aumentar o desempenho a longo prazo. Uma estratégia envolve a adição de isoladores de proteção para evitar que o material seja diretamente exposto ao ambiente de alta temperatura.

No futuro, os pesquisadores planejam usar o que aprenderam nesses experimentos para desenvolver transistores de nitreto de gálio de alta temperatura.

"Em nosso grupo, nos concentramos em pesquisas inovadoras em nível de dispositivo para avançar as fronteiras da microeletrônica, ao mesmo tempo que adotamos uma abordagem sistemática em toda a hierarquia, desde o nível do material até o nível do circuito. Aqui, percorremos todo o caminho até o nível material para entender as coisas em profundidade.

"Em outras palavras, traduzimos os avanços em nível de dispositivo em impacto em nível de circuito para eletrônicos de alta temperatura, por meio de design, modelagem e fabricação complexa. Também temos imensa sorte de ter estabelecido parcerias estreitas com nossos colaboradores de longa data nesta jornada", Xie diz.