第1期 2019/04/03
科學家正研究新型存儲設備，300攝氏度仍能正常工作
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。（照片由Yuji Zhao提供）
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。”其中包括各類儀器、傳感器以及探測設備中的電子系統。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。）
為了開發出能夠承受高溫環境的下一代電子產品，Zhao和他的團隊最近在IEEE《電子設備器件快報》中發表文章，披露了一種能夠在25到300攝氏度溫度區間內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（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能夠持續經受這種高溫的考驗。”
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并由價帶轉換為導帶。Zhao解釋稱，“結果就是，我們將無法繼續控制載波，設備也會相應發生故障。”相比之下，氮化鎵的帶隙為3.4 eV，這意味著設備能夠在發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域，而后再進行沉積再生。Zhao指出，這就產生出一個接口層，其中包含大量缺少氮原子的空位。“接口層對于存儲效應至關重要。”研究人員們認為，氮空位將負責捕獲及釋放電子，從而在器件中產生高阻態與低阻態——二者將分別對應二進制中的0與1。
在室溫條件下，該裝置顯示出穩定的阻態轉換能力。經過多達1000次循環的測試之后，其0與1的狀態轉換能力幾乎沒有任何衰減。在此之后，研究人員在高達300攝氏度的高溫環境中對其性能進行測試，該設備繼續以穩定的狀態完成了另外一千次0到1狀態轉換周期。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健。”
當然，具體結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攝氏度的環境中正常運行，且具備長期穩定性。另外，該團隊還在調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果感到滿意，接下來就是在受控室內進行測試，用以模擬位于水星及金星的美國宇航局設施內的真實惡劣環境。他最后總結道，“必須承認，還得經過幾年時間，這套方案才會真正成熟。不過目前的初步結果無疑足以令人感到鼓舞與興奮。”
本文章選自《AI啟示錄》雜志，閱讀更多雜志內容，請掃描下方二維碼
