可在25至300攝氏度的溫度范圍內(nèi)工作的氮化鎵存儲(chǔ)器

在荒涼、坑坑洼洼的水星表面，白天的溫度可以達(dá)到430攝氏度左右。金星與太陽(yáng)的距離差不多是水星與太陽(yáng)距離的兩倍，由于大氣中富含二氧化碳，金星的表面溫度與水星的相近，大約為462攝氏度。

亞利桑那州立大學(xué)材料科學(xué)家Yuji Zhao說(shuō)：“送到那里的所有東西都必須在這樣的溫度下工作?！逼渲邪▋x器、傳感器和探測(cè)器中所需的電子系統(tǒng)。雖然到目前為止還沒(méi)有在水星表面著陸的任務(wù)，但是在1982年登陸金星的運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的探測(cè)器——蘇聯(lián)的金星13號(hào)探測(cè)器——在失靈前只持續(xù)了127分鐘。（相比之下，“好奇號(hào)”探測(cè)車于2012年登陸火星，目前仍然狀況良好。）

研究人員（左起）Houqiang Fu、Yuji Zhao和Kai Fu在研究存儲(chǔ)器。

在可耐高溫的下一代電子產(chǎn)品方面，Zhao和他的團(tuán)隊(duì)最近在IEEEElectron Device Letters上介紹了他們研發(fā)的可在25至300攝氏度的溫度范圍內(nèi)工作的氮化鎵存儲(chǔ)器（論文標(biāo)題為“Threshold Switching and Memory Behaviors of Epitaxially Regrown GaN-on-GaN Vertical p-n Diodes With High Temperature Stability”）。他們的這項(xiàng)研究由美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）的Hot Operating Temperature Technology（簡(jiǎn)稱HOTTech）計(jì)劃資助，旨在支持未來(lái)前往水星和金星的任務(wù)。

Zhao說(shuō)：“那里空無(wú)一物。沒(méi)有任何技術(shù)可以承受這么高的溫度?！?/p>

氮化鎵帶隙大，是高溫電子器件的理想選擇。傳統(tǒng)硅的帶隙只有1.12 eV。Zhao解釋說(shuō)，這意味著，溫度有小幅上升時(shí)，電子就會(huì)很容易被激發(fā)，并從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶?！敖Y(jié)果，你失去了對(duì)載體的控制，你的設(shè)備就會(huì)失靈。相比之下，氮化鎵的帶隙為3.4 eV，這使得器件能夠在電子變得我行我素之前承受更高的溫度。氮化鎵并不是唯一一種被研究用于高溫電子器件的寬帶隙半導(dǎo)體材料；在HOTTech計(jì)劃下，NASA還投資了氮化鎵的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手碳化硅。

他們采用化學(xué)氣相沉積的方法在氮化鎵基質(zhì)上制造了存儲(chǔ)器。Zhao說(shuō)，設(shè)備性能的關(guān)鍵是在制造過(guò)程中的蝕刻和再生工藝。在沉積幾層氮化鎵之后，用等離子體蝕刻掉一些區(qū)域，然后再生長(zhǎng)。Zhao說(shuō)，這產(chǎn)生了一個(gè)界面層，上有缺少氮原子的空位?！敖缑鎸訉?duì)記憶效應(yīng)至關(guān)重要?！彼f(shuō)。研究人員認(rèn)為，氮空位負(fù)責(zé)捕獲和釋放電子，從而在存儲(chǔ)器中產(chǎn)生高阻態(tài)和低阻態(tài)（或0和1的狀態(tài)）。

在室溫下，該存儲(chǔ)器在0和1狀態(tài)之間的切換表現(xiàn)穩(wěn)定，它完成了1000個(gè)切換循環(huán)，而性能幾乎沒(méi)有下降。之后，研究人員測(cè)試了它在高達(dá)300攝氏度的高溫下的性能。在這樣的高溫下，它還能在1000次循環(huán)中保持0到1狀態(tài)之間切換的穩(wěn)定性。高于350攝氏度時(shí)，該存儲(chǔ)器失去了記憶效應(yīng)。但是，在將其恢復(fù)到室溫后，它的性能又恢復(fù)了。Zhao說(shuō)：“該器件實(shí)際上非常強(qiáng)健?！?/p>

還需要進(jìn)一步評(píng)估：Zhao和他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在測(cè)試這種器件的另一個(gè)版本，看看它在高達(dá)500攝氏度時(shí)的穩(wěn)定性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該團(tuán)隊(duì)還在研究氮空位對(duì)設(shè)備性能的影響。Zhao說(shuō)，一旦NASA認(rèn)為原型足夠好，它就必須在NASA的模擬了水星和金星惡劣環(huán)境的受控艙中接受測(cè)試。他說(shuō)：“我會(huì)說(shuō)，還有幾年的工作要做，但目前的初步結(jié)果無(wú)疑是非常、非常令人鼓舞和令人興奮的?！?/p>