新型存儲設計方案出爐,耐受高溫,助力人類登陸火星

研究人員們正在處理探測站中安裝的存儲設備，由左至右分別為Houqiang Fu、Yuji Zhao以及Kai Fu。

在水星荒涼而布滿隕石坑的表面上，其日間溫度可高達430攝氏度。而在距離太陽更遠一些(為水星距日長度近兩倍)的金星上，由于富含二氧化碳氣體，表面溫度更是高達約462攝氏度。

亞利桑那州立大學材料科學家Yuji Zhao表示，“這意味著送往那里的一切設備，都必須能夠承受這么高的工作溫度?！逼渲邪ǜ黝悆x器、傳感器以及探測設備中的電子系統(tǒng)。雖然到目前為止人類還沒有在水星表面部署任何長期探測裝置，不過1982年曾有一臺降落在金星上的探測器保持著最長運作紀錄——蘇聯(lián)的威尼拉13號探測器，但其幸存時間也只有短短127分鐘。(相比之下，好奇號火星車于2012年正式登陸火星，且直到目前仍在正常工作。)

為了開發(fā)出能夠承受高溫環(huán)境的下一代電子產(chǎn)品，Zhao和他的團隊最近在IEEE《電子設備器件快報》中發(fā)表文章，披露了一種能夠在25到300攝氏度溫度區(qū)間內(nèi)正常工作的氮化鎵存儲器件。此項研究由美國宇航局勢操作溫度技術(shù)(簡稱HOTTech)計劃資助，用于支持未來面向水星及金星開展的探測任務。

Zhao介紹稱，“這里空無一人，而且目前還沒有任何技術(shù)能夠持續(xù)經(jīng)受這種高溫的考驗?！?/p>

由于氮化鎵具有較大的帶隙，因此也就成為高溫電子學的理想研究方向。傳統(tǒng)硅芯片的帶隙僅為1.12 eV。這意味著只要升高非常有限的溫度，硅元素中的電子就很容易受到激發(fā)并由價帶轉(zhuǎn)換為導帶。Zhao解釋稱，“結(jié)果就是，我們將無法繼續(xù)控制載波，設備也會相應發(fā)生故障?！毕啾戎?，氮化鎵的帶隙為3.4 eV，這意味著設備能夠在發(fā)生電子紊亂之前承受更高的溫度。當然，氮化鎵并不是唯一一種具有高帶隙的半導體材料;在這一高溫電子學探索當中，美國宇航局還通過HOTTech計劃投資于另一種競爭性材料，碳化硅。

在制造過程中，研究人員利用化學氣相沉積法在氮化鎵襯底之上添加存儲器件。Zhao解釋稱，設備性能的關鍵在于制造流程中的蝕刻與再生過程。在沉積多層氮化鎵之后，需要用等離子體蝕刻掉其中一部分區(qū)域，而后再進行沉積再生。Zhao指出，這就產(chǎn)生出一個接口層，其中包含大量缺少氮原子的空位?！敖涌趯訉τ诖鎯π陵P重要?！毖芯咳藛T們認為，氮空位將負責捕獲及釋放電子，從而在器件中產(chǎn)生高阻態(tài)與低阻態(tài)——二者將分別對應二進制中的0與1。

在室溫條件下，該裝置顯示出穩(wěn)定的阻態(tài)轉(zhuǎn)換能力。經(jīng)過多達1000次循環(huán)的測試之后，其0與1的狀態(tài)轉(zhuǎn)換能力幾乎沒有任何衰減。在此之后，研究人員在高達300攝氏度的高溫環(huán)境中對其性能進行測試，該設備繼續(xù)以穩(wěn)定的狀態(tài)完成了另外一千次0到1狀態(tài)轉(zhuǎn)換周期。雖然在高于350攝氏度的條件下，該設備失去了存儲效應，但在將其恢復至室溫條件后，性能得以再次恢復。Zhao解釋道，“這種設備實際上非常穩(wěn)健。”

當然，具體結(jié)果還需要進一步評估：Zhao和他的團隊正在測試該設備的另一套版本，旨在確保其能夠在高達500攝氏度的環(huán)境中正常運行，且具備長期穩(wěn)定性。另外，該團隊還在調(diào)查氮空位對于設備性能的影響。Zhao表示，一旦美國宇航局對原型設計結(jié)果感到滿意，接下來就是在受控室內(nèi)進行測試，用以模擬位于水星及金星的美國宇航局設施內(nèi)的真實惡劣環(huán)境。他最后總結(jié)道，“必須承認，還得經(jīng)過幾年時間，這套方案才會真正成熟。不過目前的初步結(jié)果無疑足以令人感到鼓舞與興奮?！?/p>