可在25至300摄氏度的温度范围内工作的氮化镓存储器

在荒凉、坑坑洼洼的水星表面，白天的温度可以达到430摄氏度左右。金星与太阳的距离差不多是水星与太阳距离的两倍，由于大气中富含二氧化碳，金星的表面温度与水星的相近，大约为462摄氏度。

亚利桑那州立大学材料科学家Yuji Zhao说：“送到那里的所有东西都必须在这样的温度下工作。”其中包括仪器、传感器和探测器中所需的电子系统。虽然到目前为止还没有在水星表面着陆的任务，但是在1982年登陆金星的运行时间最长的探测器——苏联的金星13号探测器——在失灵前只持续了127分钟。（相比之下，“好奇号”探测车于2012年登陆火星，目前仍然状况良好。）

 

研究人员（左起）Houqiang Fu、Yuji Zhao和Kai Fu在研究存储器。

在可耐高温的下一代电子产品方面，Zhao和他的团队最近在IEEE Electron Device Letters上介绍了他们研发的可在25至300摄氏度的温度范围内工作的氮化镓存储器（论文标题为“Threshold Switching and Memory Behaviors of Epitaxially Regrown GaN-on-GaN Vertical p-n Diodes With High Temperature Stability”）。他们的这项研究由美国国家宇航局（NASA）的 Hot Operating Temperature Technology（简称HOTTech）计划资助，旨在支持未来前往水星和金星的任务。

Zhao说：“那里空无一物。没有任何技术可以承受这么高的温度。”

氮化镓带隙大，是高温电子器件的理想选择。传统硅的带隙只有1.12 eV。Zhao解释说，这意味着，温度有小幅上升时，电子就会很容易被激发，并从价带跃迁到导带。“结果，你失去了对载体的控制，你的设备就会失灵。相比之下，氮化镓的带隙为3.4 eV，这使得器件能够在电子变得我行我素之前承受更高的温度。氮化镓并不是唯一一种被研究用于高温电子器件的宽带隙半导体材料；在HOTTech计划下，NASA还投资了氮化镓的竞争对手碳化硅。

他们采用化学气相沉积的方法在氮化镓基质上制造了存储器。Zhao说，设备性能的关键是在制造过程中的蚀刻和再生工艺。在沉积几层氮化镓之后，用等离子体蚀刻掉一些区域，然后再生长。Zhao说，这产生了一个界面层，上有缺少氮原子的空位。“界面层对记忆效应至关重要。”他说。研究人员认为，氮空位负责捕获和释放电子，从而在存储器中产生高阻态和低阻态（或0和1的状态）。

在室温下，该存储器在0和1状态之间的切换表现稳定，它完成了1000个切换循环，而性能几乎没有下降。之后，研究人员测试了它在高达300摄氏度的高温下的性能。在这样的高温下，它还能在1000次循环中保持0到1状态之间切换的稳定性。高于350摄氏度时，该存储器失去了记忆效应。但是，在将其恢复到室温后，它的性能又恢复了。Zhao说：“该器件实际上非常强健。”

还需要进一步评估：Zhao和他的团队现在正在测试这种器件的另一个版本，看看它在高达500摄氏度时的稳定性及长期稳定性。该团队还在研究氮空位对设备性能的影响。Zhao说，一旦NASA认为原型足够好，它就必须在NASA的模拟了水星和金星恶劣环境的受控舱中接受测试。他说：“我会说，还有几年的工作要做，但目前的初步结果无疑是非常、非常令人鼓舞和令人兴奋的。”

研究人员（左起）Houqiang Fu、Yuji Zhao和Kai Fu在研究存储器。