Elektronik yang Menentang Panas Venus: Bagaimana Galium Nitrida Dapat Merevolusi Eksplorasi Luar Angkasa

Para peneliti mempelajari bagaimana suhu hingga 500 derajat Celsius akan memengaruhi perangkat elektronik yang terbuat dari galium nitrida, sebuah langkah penting dalam upaya penelitian mereka selama beberapa tahun untuk mengembangkan perangkat elektronik yang dapat beroperasi di lingkungan yang sangat panas, seperti permukaan Venus. Kredit: MIT Information; iStock

Para peneliti beralih ke galium nitrida untuk aplikasi suhu tinggi seperti Dewi eksplorasi, karena kemampuannya menahan suhu di atas 500 derajat Celsius.

Sebuah studi baru-baru ini oleh Universitas Massachusetts dan lembaga lain telah menunjukkan bahwa bahan ini, beserta kontak ohmiknya, tetap stabil secara struktural bahkan pada suhu tinggi ini. Penelitian ini melibatkan pembuatan perangkat galium nitrida dan pengujiannya dalam kondisi suhu tinggi, yang mengungkap hasil yang menjanjikan untuk elektronik masa depan di lingkungan ekstrem.

Eksplorasi Venus dan Galium Nitrida

Di permukaan Venus yang terik, suhu bisa mencapai 480° Celsius /900° derajat fahrenheityang cukup panas untuk melelehkan timah. Hal ini menjadikannya tempat yang tidak ramah bagi manusia dan mesin. Salah satu alasan mengapa para ilmuwan belum dapat mengirim wahana penjelajah ke permukaan planet tersebut adalah karena perangkat elektronik berbasis silikon tidak dapat beroperasi pada suhu ekstrem seperti itu untuk jangka waktu yang lama.

Untuk aplikasi suhu tinggi seperti eksplorasi Venus, para peneliti baru-baru ini beralih ke galium nitrida, materials unik yang dapat menahan suhu 500 derajat atau lebih.

Bahan tersebut sudah digunakan dalam beberapa perangkat elektronik terestrial, seperti pengisi daya ponsel dan menara ponsel, tetapi para ilmuwan belum memahami dengan baik bagaimana perangkat galium nitrida akan berperilaku pada suhu di atas 300 derajat, yang merupakan batas operasional perangkat elektronik silikon konvensional.

Temuan Penelitian tentang Galium Nitrida

Dalam sebuah makalah baru yang diterbitkan dalam jurnal Surat Fisika Terapanyang merupakan bagian dari upaya penelitian multitahun, tim ilmuwan dari Institut Teknologi Massachusetts (MIT) dan tempat lain berusaha menjawab pertanyaan utama tentang sifat dan kinerja materials pada suhu yang sangat tinggi.

Mereka mempelajari dampak suhu pada kontak ohmik dalam perangkat galium nitrida. Kontak ohmik adalah komponen utama yang menghubungkan perangkat semikonduktor dengan dunia luar.

Para peneliti menemukan bahwa suhu ekstrem tidak menyebabkan degradasi signifikan pada materials galium nitrida atau kontaknya. Mereka terkejut melihat bahwa kontak tersebut tetap utuh secara struktural bahkan ketika ditahan pada suhu 500 derajat Celsius selama 48 jam.

Arah Masa Depan dalam Elektronik Suhu Tinggi

Memahami cara kerja kontak pada suhu ekstrem merupakan langkah penting menuju tujuan kelompok berikutnya untuk mengembangkan transistor berkinerja tinggi yang dapat beroperasi di permukaan Venus. Transistor semacam itu juga dapat digunakan di Bumi dalam bidang elektronik untuk aplikasi seperti mengekstraksi energi panas bumi atau memantau bagian dalam mesin jet.

“Transistor merupakan jantung dari sebagian besar elektronik fashionable, tetapi kami tidak ingin langsung membuat transistor galium nitrida karena banyak hal yang bisa salah. Pertama-tama kami ingin memastikan materials dan kontaknya dapat bertahan lama, dan mencari tahu seberapa banyak perubahan yang terjadi saat suhu meningkat. Kami akan merancang transistor dari blok penyusun materials dasar ini,” kata John Niroula, mahasiswa pascasarjana teknik elektro dan ilmu komputer (EECS) dan penulis utama makalah tersebut.

Rekan penulisnya termasuk Qingyun Xie PhD '24; Mengyang Yuan PhD '22; mahasiswa pascasarjana EECS Patrick Ok. Darmawi-Iskandar dan Pradyot Yadav; Gillian Ok. Micale, mahasiswa pascasarjana di Departemen Ilmu dan Teknik Materials; penulis senior Tomás Palacios, Profesor Clarence J. LeBel EECS, direktur Laboratorium Teknologi Mikrosistem, dan anggota Laboratorium Penelitian Elektronika; serta kolaborator Nitul S. Rajput dari Institut Inovasi Teknologi Uni Emirat Arab; Siddharth Rajan dari Universitas Negeri Ohio; Yuji Zhao dari Universitas Rice; dan Nadim Chowdhury dari Universitas Teknik dan Teknologi Bangladesh.

Ketahanan dan Kinerja di Bawah Panas

Meskipun galium nitrida baru-baru ini menarik banyak perhatian, materials tersebut masih tertinggal puluhan tahun dari silikon dalam hal pemahaman para ilmuwan tentang bagaimana sifat-sifatnya berubah dalam berbagai kondisi. Salah satu sifat tersebut adalah resistansi, aliran arus listrik melalui suatu materials.

Resistansi keseluruhan perangkat berbanding terbalik dengan ukurannya. Namun perangkat seperti semikonduktor memiliki kontak yang menghubungkannya ke perangkat elektronik lainnya. Resistensi kontak, yang disebabkan oleh sambungan listrik ini, tetap konstan, berapa pun ukuran perangkatnya. Resistensi kontak yang terlalu besar dapat menyebabkan disipasi daya yang lebih tinggi dan frekuensi operasi yang lebih lambat untuk sirkuit elektronik.

“Khususnya saat Anda menggunakan dimensi yang lebih kecil, kinerja perangkat sering kali dibatasi oleh resistansi kontak. Orang-orang memiliki pemahaman yang relatif baik tentang resistansi kontak pada suhu ruangan, tetapi belum ada yang benar-benar mempelajari apa yang terjadi saat suhu mencapai 500 derajat,” kata Niroula.

Metodologi Pengujian dan Hasil

Untuk penelitian mereka, para peneliti menggunakan fasilitas di MIT.nano untuk membangun perangkat galium nitrida yang dikenal sebagai struktur metode panjang switch, yang terdiri dari serangkaian resistor. Perangkat ini memungkinkan mereka untuk mengukur resistansi materials dan kontak.

Mereka menambahkan kontak ohmik ke perangkat ini menggunakan dua metode yang paling umum. Yang pertama melibatkan pengendapan logam ke galium nitrida dan memanaskannya hingga 825 derajat Celsius selama sekitar 30 detik, sebuah proses yang disebut annealing.

Metode kedua melibatkan pembuangan potongan galium nitrida dan menggunakan teknologi suhu tinggi untuk menumbuhkan kembali galium nitrida yang sangat terdoping di tempatnya, sebuah proses yang dipimpin oleh Rajan dan timnya di Ohio State. Materials yang sangat terdoping tersebut mengandung elektron ekstra yang dapat berkontribusi pada konduksi arus.

“Metode pertumbuhan kembali biasanya menghasilkan resistansi kontak yang lebih rendah pada suhu ruangan, tetapi kami ingin melihat apakah metode ini masih berfungsi dengan baik pada suhu tinggi,” kata Niroula.

Stabilitas dan Kinerja pada Suhu Tinggi

Mereka menguji perangkat dengan dua cara. Rekan mereka di Rice College, yang dipimpin oleh Zhao, melakukan uji coba jangka pendek dengan meletakkan perangkat pada scorching chuck yang mencapai suhu 500 derajat Celsius dan melakukan pengukuran resistansi secara langsung.

Di MIT, mereka melakukan eksperimen jangka panjang dengan menempatkan perangkat ke dalam tungku khusus yang sebelumnya dikembangkan oleh kelompok tersebut. Mereka meninggalkan perangkat di dalamnya hingga 72 jam untuk mengukur bagaimana resistansi berubah sebagai fungsi suhu dan waktu.

Stabilitas dan Perbaikan Jangka Panjang

Para ahli mikroskopi di MIT.nano (Aubrey N. Penn) dan Institut Inovasi Teknologi (Nitul S. Rajput) menggunakan mikroskop elektron transmisi canggih untuk melihat bagaimana suhu tinggi tersebut memengaruhi galium nitrida dan kontak ohmik pada tingkat atom.

“Kami berpikir bahwa kontak atau materials galium nitrida itu sendiri akan mengalami degradasi yang signifikan, tetapi kami menemukan yang sebaliknya. Kontak yang dibuat dengan kedua metode tersebut tampak sangat stabil,” kata Niroula.

Meskipun sulit untuk mengukur resistansi pada suhu setinggi itu, hasil mereka menunjukkan bahwa resistansi kontak tampaknya tetap konstan bahkan pada suhu 500 derajat, selama sekitar 48 jam. Dan seperti pada suhu ruangan, proses pertumbuhan kembali menghasilkan kinerja yang lebih baik.

Materials tersebut memang mulai rusak setelah berada di tungku selama 48 jam, tetapi para peneliti sudah berupaya untuk meningkatkan kinerja jangka panjang. Salah satu strateginya adalah dengan menambahkan isolator pelindung agar materials tidak langsung terpapar ke lingkungan bersuhu tinggi.

Prospek Masa Depan dalam Mikroelektronika

Ke depannya, para ilmuwan berencana untuk menggunakan apa yang mereka pelajari dalam percobaan ini untuk mengembangkan transistor galium nitrida suhu tinggi.

“Di kelompok kami, kami berfokus pada penelitian inovatif di tingkat perangkat untuk memajukan batas-batas mikroelektronika, sambil mengadopsi pendekatan sistematis di seluruh hierarki, dari tingkat materials hingga tingkat sirkuit. Di sini, kami telah menelusuri hingga ke tingkat materials untuk memahami berbagai hal secara mendalam. Dengan kata lain, kami telah menerjemahkan kemajuan di tingkat perangkat menjadi dampak di tingkat sirkuit untuk elektronik suhu tinggi, melalui desain, pemodelan, dan fabrikasi yang rumit. Kami juga sangat beruntung telah menjalin kemitraan yang erat dengan kolaborator lama kami dalam perjalanan ini,” kata Xie.

Referensi: “Stabilitas suhu tinggi kontak Ohmik yang ditumbuhkan kembali dan dipadukan dengan heterostruktur AlGaN/GaN hingga 500 °C” oleh John Niroula, Qingyun Xie, Nitul S. Rajput, Patrick Ok. Darmawi-Iskandar, Sheikh Ifatur Rahman, Shisong Luo, Rafid Hassan Palash, Bejoy Sikder, Mengyang Yuan, Pradyot Yadav, Gillian Ok. Micale, Nadim Chowdhury, Yuji Zhao, Siddharth Rajan dan Tomás Palacios, 15 Mei 2024, Surat Fisika Terapan.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1063/5.0191297

Pekerjaan ini didanai, sebagian, oleh Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara AS, Lockheed Martin Company, Perusahaan Penelitian Semikonduktor melalui Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan AS, Departemen Energi AS, Intel Company, dan Universitas Teknik dan Teknologi Bangladesh.

Pembuatan dan mikroskopi dilakukan di MIT.nano, Laboratorium Epitaksi dan Analisis Semikonduktor di Ohio State College, Pusat Karakterisasi Materials Lanjutan di Universitas Oregondan Institut Inovasi Teknologi Uni Emirat Arab.