次世代半導体への熱意を高める | マサチューセッツ工科大学ニュース

温度が摂氏 480 度 (鉛が溶けるほどの高温) に達することもある灼熱の金星の表面は、人間にとっても機械にとっても同様に過酷な場所です。 科学者たちがまだ探査車を地表に送ることができていない理由の一つは、シリコンベースの電子機器がそのような極端な温度で長時間動作できないためである。

金星探査などの高温用途では、研究者らは最近、500度以上の温度に耐えることができる独自の材料である窒化ガリウムに注目しています。

この材料はすでに携帯電話の充電器や携帯電話の塔など一部の地上電子機器で使用されているが、従来のシリコン電子機器の動作限界である300度を超える温度で窒化ガリウムデバイスがどのように動作するのか科学者らは十分に把握していない。

で に出版された新しい論文 応用物理学レター、 これは数年にわたる研究活動の一環であり、MITやその他の研究機関の科学者チームが、この材料の極度に高い温度での特性と性能に関する重要な疑問に答えようとした。

彼らは、窒化ガリウムデバイスのオーム接点に対する温度の影響を研究しました。 オーミックコンタクトは、半導体デバイスを外部と接続する重要なコンポーネントです。

研究者らは、極端な温度が窒化ガリウム材料や接点に重大な劣化を引き起こさないことを発見しました。 彼らは、摂氏 500 度で 48 時間保持されても接点が構造的に無傷のままであることを見て驚きました。

極端な温度で接点がどのように機能するかを理解することは、金星の表面で動作できる高性能トランジスタを開発するというグループの次の目標に向けた重要なステップとなる。 このようなトランジスタは、地熱エネルギーの抽出やジェットエンジンの内部の監視などの用途のために、地球上でもエレクトロニクスに使用される可能性があります。

「トランジスタは現代のエレクトロニクスの心臓部ですが、多くの問題が発生する可能性があるため、すぐに窒化ガリウム トランジスタの製造に取り掛かりたくありませんでした。 私たちはまず、材料と接点が存続できることを確認し、温度が上昇したときにそれらがどの程度変化するかを把握したいと考えました。 これらの基本的な材料構成要素からトランジスタを設計します」と、電気工学およびコンピュータ サイエンス (EECS) の大学院生で論文の筆頭著者であるジョン ニルーラ氏は言います。

共著者には、Qingyun Xie PhD ’24、Mengyang Yuan PhD ’22、EECS 大学院生の Patrick K. Darmawi-Iskandar 氏と Pradyot Yadav 氏、材料科学および工学部の大学院生 Gillian K. Micale 氏、上級著者で EECS の Clarence J. LeBel 教授、マイクロシステム技術研究所所長、電子工学研究室メンバーの Tomás Palacios 氏、およびアラブ首長国連邦技術革新研究所の Nitul S. Rajput 氏、オハイオ州立大学の Siddharth Rajan 氏、ライス大学の Yuji Zhao 氏、バングラデシュ工科大学の Nadim Chowdhury 氏らがいます。

熱を上げる

窒化ガリウムは最近大きな注目を集めていますが、さまざまな条件下でその特性がどのように変化するかについての科学者の理解に関しては、この材料はシリコンに比べてまだ数十年遅れています。そのような特性の 1 つが抵抗、つまり材料を通る電流の流れです。

デバイスの全体的な抵抗は、そのサイズに反比例します。 しかし、半導体などのデバイスには、他の電子機器に接続する接点があります。 これらの電気接続によって生じる接触抵抗は、デバイスのサイズに関係なく一定のままです。 接触抵抗が大きすぎると、電力損失が増加し、電子回路の動作周波数が遅くなる可能性があります。

「特に寸法が小さくなると、デバイスの性能は接触抵抗によって制限されてしまうことがよくあります。室温での接触抵抗については比較的よく理解されていますが、500度まで上昇すると何が起こるのかを実際に研究した人は誰もいません」とニロウラ氏は言う。

研究のために、研究者らは MIT.nano の施設を使用して、一連の抵抗器で構成される伝達長法構造として知られる窒化ガリウムデバイスを構築しました。 これらのデバイスを使用すると、材料と接点の両方の抵抗を測定できます。

彼らは、最も一般的な 2 つの方法を使用して、これらのデバイスにオーミック接点を追加しました。1 つ目は、窒化ガリウムに金属を堆積し、それを 825 度で約 30 秒間加熱する、アニーリングと呼ばれるプロセスです。

2 つ目の方法は、窒化ガリウムの塊を取り除き、高温技術を使用してその場所に高濃度にドープされた窒化ガリウムを再成長させるというものです。このプロセスは、オハイオ州立大学のラジャン氏と彼のチームが主導しています。高濃度にドープされた材料には、電流伝導に寄与する余分な電子が含まれています。

「再成長法は通常、室温では接触抵抗が低くなりますが、私たちはこれらの方法が高温でもうまく機能するかどうかを確認したかったのです」とニロウラ氏は言う。

包括的なアプローチ

彼らは 2 つの方法でデバイスをテストしました。 Zhao氏率いるライス大学の共同研究者らは、摂氏500度に達したホットチャック上にデバイスを置き、即座に抵抗測定を行うという短期間のテストを実施した。

MITでは、研究グループが以前に開発した特殊な炉の中にデバイスを入れて、より長期的な実験を行った。デバイスを最大72時間炉の中に入れ、温度と時間の関数として抵抗がどのように変化するか測定した。

MIT.nano (Aubrey N. Penn) と Technology Innovation Institute (Nitul S. Rajput) の顕微鏡専門家は、最先端の透過型電子顕微鏡を使用して、このような高温が原子レベルで窒化ガリウムとオーム接点にどのような影響を与えるかを調べました。

「接点や窒化ガリウム素材自体が著しく劣化するだろうと予想していましたが、実際は逆でした。どちらの方法で作った接点も驚くほど安定しているようでした」とニロウラ氏は言う。

このような高温での抵抗を測定するのは困難ですが、結果から、接触抵抗は 500 度の温度でも約 48 時間一定に保たれているようです。また、室温と同様に、再成長プロセスによってパフォーマンスが向上しました。

材料は炉の中に48時間入れられた後、劣化し始めたが、研究者らはすでに長期的な性能の向上に取り組んでいる。一つの戦略としては、材料が高温環境に直接さらされないように保護絶縁体を追加することが挙げられる。

研究者らは今後、これらの実験で学んだことを利用して高温窒化ガリウムトランジスタを開発する予定だ。

「私たちのグループでは、材料レベルから回路レベルまで階層全体にわたる体系的なアプローチを採用しながら、マイクロエレクトロニクスの最前線を前進させるための革新的なデバイスレベルの研究に焦点を当てています。 ここでは、物事を深く理解するために物質的なレベルまで徹底的に調べました。 言い換えれば、私たちは設計、モデリング、複雑な製造を通じて、デバイスレベルの進歩を高温エレクトロニクスの回路レベルの影響に変換しました。 また、この旅において長年の協力者たちと緊密なパートナーシップを築けたことも非常に幸運です」と謝氏は言います。

この研究は、米国空軍科学研究局、ロッキード・マーティン社、米国国防高等研究計画局を通じた半導体研究社、米国エネルギー省、インテル社、バングラデシュ工科大学から一部資金提供を受けました。そしてテクノロジー。

製造と顕微鏡検査は、MIT.nano、オハイオ州立大学の半導体エピタキシーおよび分析研究所、オレゴン大学の先端材料特性評価センター、およびアラブ首長国連邦の技術革新研究所で実施されました。