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Des appareils électroniques qui défient la chaleur de Vénus : comment le nitrure de gallium pourrait révolutionner l'exploration spatiale

SciTechDaily

Des chercheurs ont étudié l'effet de températures atteignant 500 degrés Celsius sur les appareils électroniques fabriqués à partir de nitrure de gallium, une étape clé de leurs efforts de recherche pluriannuels visant à développer des appareils électroniques capables de fonctionner dans des environnements extrêmement chauds, comme la surface de Vénus. Crédit : MIT News ; iStock

Les chercheurs se tournent vers le nitrure de gallium pour des applications à haute température telles que Vénus exploration, en raison de sa capacité à résister à des températures supérieures à 500 degrés Celsius.

Une étude récente réalisée par MIT et d'autres institutions ont montré que ce matériau, ainsi que ses contacts ohmiques, restent structurellement stables même à ces températures élevées. L'étude a consisté à construire des dispositifs en nitrure de gallium et à les tester dans des conditions de température élevée, révélant des résultats prometteurs pour l'électronique du futur dans des environnements extrêmes.

Exploration de Vénus et nitrure de gallium

Sur la surface brûlante de Vénus, les températures peuvent grimper jusqu'à 480° Celsius / 900° Fahrenheitqui est suffisamment chaud pour faire fondre le plomb. Cela en fait un endroit inhospitalier pour les humains comme pour les machines. L'une des raisons pour lesquelles les scientifiques n'ont pas encore pu 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 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 degrés ou plus.

Le matériau est déjà utilisé dans certains appareils électroniques terrestres, comme les chargeurs de téléphone et les antennes relais de téléphonie mobile, mais les scientifiques n'ont pas une bonne idée de la manière dont les dispositifs au nitrure de gallium se comporteraient à des températures supérieures à 300 degrés, ce qui est la limite opérationnelle de l'électronique au silicium conventionnelle.

Résultats de la recherche sur le nitrure de gallium

Dans un nouvel article publié dans Lettres de physique appliquéequi 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 d'un dispositif en nitrure de gallium. Les contacts ohmiques sont des composants clés qui relient un dispositif semi-conducteur au monde extérieur.

Les chercheurs ont constaté que les températures extrêmes n'entraînaient pas de dégradation significative du matériau en nitrure de gallium ni des contacts. Ils ont été surpris de constater que les contacts restaient structurellement intacts même lorsqu'ils étaient maintenus à 500 degrés Celsius pendant 48 heures.

Orientations futures de l'électronique à haute température

Comprendre le comportement des contacts à des températures extrêmes est une étape importante vers le prochain objectif du groupe, qui est de développer des transistors à hautes performances qui pourraient fonctionner à la surface de Vénus. De tels transistors pourraient également être utilisés sur Terre dans l'électronique pour des applications telles que l'extraction d'énergie géothermique ou la surveillance de l'intérieur des réacteurs à réaction.

« Les transistors sont au cœur de la plupart des appareils électroniques modernes, mais nous ne voulions pas passer directement à la fabrication d'un transistor au nitrure de gallium, car il y avait tellement de problèmes. Nous voulions d'abord nous assurer que le matériau et les contacts pourraient survivre et déterminer dans quelle mesure ils changeraient lorsque la température augmente. 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.

Ses co-auteurs incluent Qingyun Xie PhD '24; Mengyang Yuan PhD '22; les étudiants diplômés de l'EECS Patrick K. Darmawi-Iskandar et Pradyot Yadav; Gillian K. Micale, étudiante diplômée au Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux; l'auteur principal Tomás Palacios, professeur Clarence J. LeBel de l'EECS, directeur des laboratoires de technologie des microsystèmes et membre du laboratoire de recherche en électronique; ainsi que les collaborateurs Nitul S. Rajput de l'Institut d'innovation technologique des Émirats arabes unis; Siddharth Rajan de l'Université d'État de l'Ohio; Yuji Zhao de l'Université Rice; et Nadim Chowdhury de l'Université d'ingénierie et de technologie du Bangladesh.

Résistance et performance sous chaleur

Bien que le nitrure de gallium ait récemment suscité beaucoup d'intérêt, les scientifiques ont encore des décennies de retard sur le silicium en ce qui concerne la compréhension de la façon dont ses propriétés changent dans différentes conditions. L'une de ces propriétés est la résistance, c'est-à-dire le passage du courant électrique à travers un matériau.

La résistance globale d'un appareil est inversement proportionnelle à sa taille. Mais des appareils comme semi-conducteurs Les circuits électroniques sont dotés de contacts qui les relient à d'autres composants électroniques. La résistance de contact, causée par ces connexions électriques, reste fixe quelle que soit la taille de l'appareil. Une résistance de contact trop importante peut entraîner une dissipation de puissance plus élevée et des fréquences de fonctionnement plus lentes pour les circuits électroniques.

« En particulier lorsque l'on passe à des dimensions plus petites, les performances d'un appareil finissent souvent par être limitées par la résistance de contact. Les gens ont une assez 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 degrés », explique Niroula.

Méthodologies et résultats des tests

Pour leur étude, les chercheurs ont utilisé les installations du MIT.nano pour construire des dispositifs en nitrure de gallium appelés structures à méthode de longueur de transfert, qui sont composées d'une série de résistances. Ces dispositifs leur permettent de mesurer la résistance 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 degrés Celsius pendant environ 30 secondes, un processus appelé recuit.

La deuxième méthode consiste à retirer des morceaux de nitrure de gallium et à utiliser une technologie à haute température pour faire repousser à la place du nitrure de gallium hautement dopé, un processus dirigé par Rajan et son équipe de l'Ohio State University. 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 fonctionnent toujours bien à des températures élevées », explique Niroula.

Stabilité et performance à haute température

Ils ont testé les appareils de deux manières. Leurs collaborateurs de l'Université Rice, dirigés par Zhao, ont effectué des tests à court terme en plaçant les appareils sur un mandrin chaud atteignant 500 degrés Celsius et en prenant des mesures de résistance immédiates.

Au MIT, ils ont mené des expériences à long terme en plaçant des appareils dans un four spécialisé développé par le groupe. Ils ont laissé les appareils à l'intérieur pendant 72 heures pour mesurer l'évolution de la résistance en fonction de la température et du temps.

Stabilité et améliorations à long terme

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.

« Nous pensions que les contacts ou le nitrure de gallium lui-même se dégraderaient de manière significative, mais nous avons constaté le contraire. Les contacts réalisés avec les deux méthodes semblaient remarquablement stables », explique Niroula.

Bien qu'il soit 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 degrés, pendant environ 48 heures. Et tout comme à température ambiante, le processus de repousse a conduit à de meilleures performances.

Le matériau a commencé à se dégrader après 48 heures de cuisson, mais les chercheurs travaillent déjà à améliorer ses performances à long terme. Une stratégie consiste à ajouter des isolants protecteurs pour empêcher le matériau d'être directement exposé à l'environnement à haute température.

Perspectives d'avenir en microélectronique

À l’avenir, les chercheurs prévoient d’utiliser ce qu’ils ont appris dans 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 tous les niveaux, du niveau des matériaux au niveau des circuits. Ici, nous sommes allés jusqu’au niveau des matériaux pour comprendre les choses en profondeur. En d’autres termes, nous avons traduit les avancées au niveau des dispositifs en impact au niveau des circuits pour l’électronique haute température, par la conception, la modélisation et la fabrication complexe. Nous avons également l’immense chance d’avoir noué des partenariats étroits avec nos collaborateurs de longue date au cours de cette aventure », déclare Xie.

Ces travaux ont été financés en partie par le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air américaine, la Lockheed Martin Corporation, la Semiconductor Research Corporation par l'intermédiaire de l'Agence américaine des projets de recherche avancée de défense, le ministère américain de l'Énergie, la Intel Corporation et l'Université d'ingénierie et de technologie du Bangladesh.

La fabrication et la microscopie ont été réalisées au MIT.nano, au laboratoire d'épitaxie et d'analyse des semi-conducteurs de l'université d'État de l'Ohio, au centre de caractérisation des matériaux avancés de l'université. Université de l'Oregonet l’Institut d’innovation technologique des Émirats arabes unis.

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