La surface brûlante de Vénus, où les températures peuvent grimper jusqu'à 480°C (suffisamment chaudes pour faire fondre le plomb), est un endroit inhospitalier pour les humains comme pour les machines. L'une des raisons pour lesquelles les scientifiques n'ont pas encore réussi à envoyer un rover à la surface de la planète est que l'électronique à base de silicium ne peut pas fonctionner à des températures aussi extrêmes pendant une période de temps prolongée.
Pour les applications à haute température comme l'exploration de Vénus, les chercheurs se sont récemment tournés vers le nitrure de gallium, un matériau unique capable de résister à des températures de 500° ou plus.
Le matériau est déjà utilisé dans certains appareils électroniques terrestres, comme les chargeurs de téléphone et les tours de téléphonie cellulaire, mais les scientifiques ne comprennent pas bien comment les dispositifs au nitrure de gallium se comporteraient à des températures supérieures à 300°, qui est la limite opérationnelle de l'électronique conventionnelle au silicium.
Dans un nouvel article publié dans Applied Physics Letters , qui fait partie d'un effort de recherche pluriannuel, une équipe de scientifiques du MIT et d'ailleurs a cherché à répondre à des questions clés sur les propriétés et les performances du matériau à des températures extrêmement élevées.
Ils ont étudié l'impact de la température sur les contacts ohmiques dans un dispositif au nitrure de gallium. Les contacts ohmiques sont des composants clés qui connectent un dispositif semi-conducteur au monde extérieur.
Les chercheurs ont découvert que les températures extrêmes ne provoquaient pas de dégradation significative du matériau ou des contacts en nitrure de gallium. Ils ont été surpris de constater que les contacts restaient structurellement intacts même lorsqu'ils étaient maintenus à 500°C pendant 48 heures.
Comprendre le fonctionnement des contacts à des températures extrêmes constitue une étape importante vers le prochain objectif du groupe :développer des transistors hautes performances susceptibles de fonctionner à la surface de Vénus. De tels transistors pourraient également être utilisés sur Terre en électronique pour des applications telles que l'extraction d'énergie géothermique ou la surveillance de l'intérieur des moteurs à réaction.
"Les transistors sont le cœur de la plupart des composants électroniques modernes, mais nous ne voulions pas nous lancer directement dans la fabrication d'un transistor au nitrure de gallium, car de nombreux problèmes pourraient se produire. Nous voulions d'abord nous assurer que le matériau et les contacts pourraient survivre, et déterminer dans quelle mesure ils changent à mesure que vous augmentez la température.
"Nous concevrons notre transistor à partir de ces éléments de base", explique John Niroula, étudiant diplômé en génie électrique et informatique (EECS) et auteur principal de l'article.
Augmenter la chaleur
Bien que le nitrure de gallium ait récemment attiré beaucoup d'attention, ce matériau a encore des décennies de retard sur le silicium lorsqu'il s'agit de comprendre par les scientifiques comment ses propriétés changent dans différentes conditions. L'une de ces propriétés est la résistance, la circulation du courant électrique à travers un matériau.
La résistance globale d'un appareil est inversement proportionnelle à sa taille. Mais les appareils comme les semi-conducteurs ont des contacts qui les connectent à d’autres appareils électroniques. La résistance de contact, provoquée par ces connexions électriques, reste fixe quelle que soit la taille de l'appareil. Une résistance de contact trop élevée peut entraîner une dissipation de puissance plus élevée et des fréquences de fonctionnement plus lentes pour les circuits électroniques.
"Surtout lorsque l'on atteint des dimensions plus petites, les performances d'un appareil finissent souvent par être limitées par la résistance de contact. Les gens ont une relativement bonne compréhension de la résistance de contact à température ambiante, mais personne n'a vraiment étudié ce qui se passe lorsque l'on monte jusqu'à 500°", dit Niroula.
Pour leur étude, les chercheurs ont utilisé les installations du MIT.nano pour construire des dispositifs en nitrure de gallium appelés structures de méthode de longueur de transfert, composés d'une série de résistances. Ces appareils leur permettent de mesurer la résistance à la fois du matériau et des contacts.
Ils ont ajouté des contacts ohmiques à ces appareils en utilisant les deux méthodes les plus courantes. La première consiste à déposer du métal sur du nitrure de gallium et à le chauffer à 825°C pendant environ 30 secondes, un processus appelé recuit.
La deuxième méthode consiste à éliminer des morceaux de nitrure de gallium et à utiliser une technologie à haute température pour faire repousser du nitrure de gallium hautement dopé à sa place, un processus dirigé par Rajan et son équipe de l'Ohio State. Le matériau hautement dopé contient des électrons supplémentaires qui peuvent contribuer à la conduction du courant.
"La méthode de repousse conduit généralement à une résistance de contact plus faible à température ambiante, mais nous voulions voir si ces méthodes fonctionnaient toujours bien à des températures élevées", explique Niroula.
Ils ont testé les appareils de deux manières. Leurs collaborateurs de l'Université Rice, dirigés par Zhao, ont mené des tests à court terme en plaçant des appareils sur un mandrin chaud qui atteignait 500°C et en prenant des mesures immédiates de résistance.
Au MIT, ils ont mené des expériences à plus long terme en plaçant des appareils dans un four spécialisé précédemment développé par le groupe. Ils ont laissé les appareils à l'intérieur pendant 72 heures maximum pour mesurer l'évolution de la résistance en fonction de la température et du temps.
Les experts en microscopie du MIT.nano (Aubrey N. Penn) et du Technology Innovation Institute (Nitul S. Rajput) ont utilisé des microscopes électroniques à transmission de pointe pour voir comment des températures aussi élevées affectent le nitrure de gallium et les contacts ohmiques au niveau atomique. niveau.
"Nous pensions que les contacts ou le matériau en nitrure de gallium lui-même se dégraderaient considérablement, mais nous avons constaté le contraire. Les contacts établis avec les deux méthodes semblaient remarquablement stables", explique Niroula.
S'il est difficile de mesurer la résistance à des températures aussi élevées, leurs résultats indiquent que la résistance de contact semble rester constante même à des températures de 500°, pendant environ 48 heures. Et tout comme à température ambiante, le processus de repousse a conduit à de meilleures performances.
Le matériau a effectivement commencé à se dégrader après avoir passé 48 heures dans le four, mais les chercheurs travaillent déjà à améliorer les performances à long terme. Une stratégie consiste à ajouter des isolants de protection pour empêcher le matériau d'être directement exposé à l'environnement à haute température.
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'utiliser ce qu'ils ont appris lors de ces expériences pour développer des transistors au nitrure de gallium à haute température.
« Dans notre groupe, nous nous concentrons sur la recherche innovante au niveau des dispositifs pour repousser les frontières de la microélectronique, tout en adoptant une approche systématique à travers la hiérarchie, du niveau des matériaux au niveau des circuits. Ici, nous sommes descendus jusqu'au niveau matériel pour comprendre les choses en profondeur.
"En d'autres termes, nous avons traduit les avancées au niveau des appareils en impact au niveau des circuits pour l'électronique à haute température, grâce à la conception, à la modélisation et à la fabrication complexe. Nous sommes également extrêmement chanceux d'avoir forgé des partenariats étroits avec nos collaborateurs de longue date dans ce voyage." dit Xie.
