Por Adam Zewe La abrasadora superficie de Venus, donde las temperaturas pueden subir hasta los 480 grados centígrados (lo suficientemente caliente como para derretir el plomo), es un lugar inhóspito tanto para los humanos como para las máquinas. Una de las razones por las que los científicos aún no han podido enviar un rover a la superficie del planeta es porque la electrónica basada en silicio no puede funcionar a temperaturas tan extremas durante un período prolongado de tiempo. Para aplicaciones de alta temperatura como la exploración de Venus, los investigadores han recurrido recientemente al nitruro de galio, un material único que puede soportar temperaturas de 500 grados o más. El material ya se utiliza en algunos dispositivos electrónicos terrestres, como cargadores de teléfonos y torres de telefonía celular, pero los científicos no tienen una buena comprensión de cómo se comportarían los dispositivos de nitruro de galio a temperaturas superiores a los 300 grados, que es el límite operativo de la electrónica de silicio convencional. En un nuevo artículo publicado en Applied Physics Letters, que forma parte de un esfuerzo de investigación de varios años, un equipo de científicos del MIT y de otros lugares trató de responder a preguntas clave sobre las propiedades y el rendimiento del material a temperaturas extremadamente altas. Estudiaron el impacto de la temperatura en los contactos óhmicos en un dispositivo de nitruro de galio. Los contactos óhmicos son componentes clave que conectan un dispositivo semiconductor con el mundo exterior. Los investigadores encontraron que las temperaturas extremas no causaron una degradación significativa del material de nitruro de galio o de los contactos. Se sorprendieron al ver que los contactos permanecieron estructuralmente intactos incluso cuando se mantuvieron a 500 grados centígrados durante 48 horas. Comprender cómo se comportan los contactos a temperaturas extremas es un paso importante hacia el próximo objetivo del grupo de desarrollar transistores de alto rendimiento que puedan operar en la superficie de Venus. Estos transistores también podrían utilizarse en la Tierra en electrónica para aplicaciones como la extracción de energía geotérmica o la monitorización del interior de los motores a reacción. "Los transistores son el corazón de la mayoría de la electrónica moderna, pero no queríamos saltar directamente a hacer un transistor de nitruro de galio porque muchas cosas podrían salir mal. Primero queríamos asegurarnos de que el material y los contactos pudieran sobrevivir, y averiguar cuánto cambian a medida que aumenta la temperatura. Diseñaremos nuestro transistor a partir de estos bloques de construcción de materiales básicos", dice John Niroula, estudiante graduado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación (EECS) y autor principal del artículo. Sus coautores incluyen Qingyun Xie, PhD '24; Mengyang Yuan PhD '22; los estudiantes graduados de EECS Patrick K. Darmawi-Iskandar y Pradyot Yadav; Gillian K. Micale, estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales; el autor principal Tomás Palacios, profesor Clarence J. LeBel de EECS, director de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica; así como los colaboradores Nitul S. Rajput del Instituto de Innovación Tecnológica de los Emiratos Árabes Unidos; Siddharth Rajan, de la Universidad Estatal de Ohio; Yuji Zhao, de la Universidad de Rice; y Nadim Chowdhury, de la Universidad de Ingeniería y Tecnología de Bangladesh. Subir la temperatura Si bien el nitruro de galio ha atraído mucha atención recientemente, el material todavía está décadas por detrás del silicio en lo que respecta a la comprensión de los científicos de cómo cambian sus propiedades en diferentes condiciones. Una de esas propiedades es la resistencia, el flujo de corriente eléctrica a través de un material. La resistencia general de un dispositivo es inversamente proporcional a su tamaño. Pero dispositivos como los semiconductores tienen contactos que los conectan a otros dispositivos electrónicos. La resistencia de contacto, causada por estas conexiones eléctricas, permanece fija independientemente del tamaño del dispositivo. Demasiada resistencia de contacto puede conducir a una mayor disipación de potencia y frecuencias de funcionamiento más lentas para los circuitos electrónicos. "Especialmente cuando se va a dimensiones más pequeñas, el rendimiento de un dispositivo a menudo termina estando limitado por la resistencia de contacto. La gente tiene una comprensión relativamente buena de la resistencia de contacto a temperatura ambiente, pero nadie ha estudiado realmente lo que sucede cuando se sube hasta los 500 grados", dice Niroula. Para su estudio, los investigadores utilizaron las instalaciones del MIT.nano para construir dispositivos de nitruro de galio conocidos como estructuras del método de longitud de transferencia, que están compuestas por una serie de resistencias. Estos dispositivos les permiten medir la resistencia tanto del material como de los contactos. Agregaron contactos óhmicos a estos dispositivos utilizando los dos métodos más comunes. El primero consiste en depositar metal sobre nitruro de galio y calentarlo a 825 grados centígrados durante unos 30 segundos, un proceso llamado recocido. El segundo método consiste en extraer trozos de nitruro de galio y utilizar una tecnología de alta temperatura para regenerar el nitruro de galio altamente dopado en su lugar, un proceso dirigido por Rajan y su equipo en la Universidad Estatal de Ohio. El material altamente dopado contiene electrones adicionales que pueden contribuir a la conducción de corriente. "El método de rebrote generalmente conduce a una menor resistencia de contacto a temperatura ambiente, pero queríamos ver si estos métodos aún funcionan bien a altas temperaturas", dice Niroula. Un enfoque integral Probaron los dispositivos de dos maneras. Sus colaboradores en la Universidad de Rice, dirigidos por Zhao, realizaron pruebas a corto plazo colocando dispositivos en un mandril caliente que alcanzó los 500 grados centígrados y tomando medidas de resistencia inmediatas. En el MIT, llevaron a cabo experimentos a largo plazo colocando dispositivos en un horno especializado que el grupo desarrolló previamente. Dejaron los dispositivos en el interior hasta 72 horas para medir cómo cambia la resistencia en función de la temperatura y el tiempo. Los expertos en microscopía del MIT.nano (Aubrey N. Penn) y del Instituto de Innovación Tecnológica (Nitul S. Rajput) utilizaron microscopios electrónicos de transmisión de última generación para ver cómo estas altas temperaturas afectan al nitruro de galio y a los contactos óhmicos a nivel atómico. "Entramos pensando que los contactos o el propio material de nitruro de galio se degradarían significativamente, pero encontramos lo contrario. Los contactos realizados con ambos métodos parecieron ser notablemente estables", dice Niroula. Si bien es difícil medir la resistencia a temperaturas tan altas, sus resultados indican que la resistencia de contacto parece permanecer constante incluso a temperaturas de 500 grados, durante alrededor de 48 horas. Y al igual que a temperatura ambiente, el proceso de rebrote condujo a un mejor rendimiento. El material comenzó a degradarse después de estar en el horno durante 48 horas, pero los investigadores ya están trabajando para aumentar el rendimiento a largo plazo. Una estrategia consiste en añadir aislantes protectores para evitar que el material se exponga directamente al entorno de alta temperatura. En el futuro, los investigadores planean usar lo que aprendieron en estos experimentos para desarrollar transistores de nitruro de galio de alta temperatura. "En nuestro grupo, nos centramos en la investigación innovadora a nivel de dispositivo para avanzar en las fronteras de la microelectrónica, al tiempo que adoptamos un enfoque sistemático en toda la jerarquía, desde el nivel de material hasta el nivel de circuito. Aquí, hemos llegado hasta el nivel material para entender las cosas en profundidad. En otras palabras, hemos traducido los avances a nivel de dispositivo en el impacto a nivel de circuito para la electrónica de alta temperatura, a través del diseño, el modelado y la fabricación compleja. También somos inmensamente afortunados de haber forjado estrechas asociaciones con nuestros colaboradores de larga data en este viaje", dice Xie. Este trabajo fue financiado, en parte, por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los EE. UU., Lockheed Martin Corporation, la Corporación de Investigación de Semiconductores a través de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los EE. UU., el Departamento de Energía de los EE. UU., Intel Corporation y la Universidad de Ingeniería y Tecnología de Bangladesh. La fabricación y la microscopía se llevaron a cabo en MIT.nano, el Laboratorio de Epitaxia y Análisis de Semiconductores de la Universidad Estatal de Ohio, el Centro de Caracterización de Materiales Avanzados de la Universidad de Oregón y el Instituto de Innovación Tecnológica de los Emiratos Árabes Unidos.