下一代太空領域技術的研發-氮化鎵處理器

圖片來源：ASU網站

氮化鎵(GaN)材料不僅有望成為電子學的新一代半導體，還可能是太空領域的基礎材料。亞利桑那州立大學(ASU)電子與計算機工程師趙宇傑(Yuji Zhao)計劃研發出第一個氮化鎵處理器，這可能會徹底改變未來的太空探索任務。

氮化鎵是通常用於製作發光二極體(LEDs)的半導體化合物。這種材料的導電能力比硅材料要高1000倍。它在速度、溫度、電力處理方面超過硅，當硅材料設備達到極限時，它很可能取代硅成為新一代半導體。

除了用作發光二極體外，氮化鎵還可用於半導體電力設備和射頻元件。現在，Yuji Zhao的想法是利用這種材料為太空空間應用開發一種高溫微型處理器。他從美國宇航局的HOT技術項目中獲得了一筆為期3年的75萬美元資助。

「這種材料能使電子系統擁有更高的效率，更小的體積，更輕的重量，更高的試驗操作溫度，所有這些都是在各種不同太空空間使用電子系統時最需要的，」趙亮告訴Astrowatch網站。

趙先生指出，由於硅固有的特性，使用這種材料製成的集成電路（IC）在高溫（大約300攝氏度）、低頻率下工作時很容易發生故障。氮化鎵材料具有良好的熱穩定性和化學穩定性，能夠很好地在高溫以及具有輻射的環境下工作。此外，由各種氮化鎵元件的單片集成製作的氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）技術具有二維電子氣體的超快頻率響應（100x）。

研發第一種添加氮化鎵材料的微型處理器項目非常具有挑戰性，並且可能需要反反覆復的試驗。

「設備、系統和可靠性三方面都面臨著重大的挑戰：在元件方面，製作出具有熱穩定性的氮化鎵增強n型/損耗型p型的金屬氧化物半導體晶體管，需要特殊的技術、結構設計和相互聯繫；在系統方面上，使用氮化鎵晶體管的集成電路模塊來研發NAND gate，NAND gate等集成電路模塊是非常重要的，而且氮化鎵晶元與硅晶元的設計和製造方式完全不同。

在HOTTech計划下，Zhao通過添加氮化鎵材料，製作出可在500攝氏度以上的高溫條件下高效工作的微型處理器。為實現這一目標，需要研究氮化鎵元件的高溫性能，包括材料存在的缺陷、電子束傳輸、熱穩定性以及它們對氮化鎵微型處理器性能和可靠性帶來的影響。

HOTTech研究計劃的目標是研發新技術並將其成熟化，使其能夠在接近500攝氏度或更高的溫度環境下性能顯著增強，還能降低試驗現場的技術風險。新一代技術將使我們能夠探索太陽系的高溫世界。

「在高溫環境下的試驗任務是最需要這些材料的。對於美國宇航局來說，這個項目對許多試驗任務都是有幫助的，尤其是對於科學研究總局（Science Mission Directorate）集中在高溫環境下的試驗任務，如金星表面、水星、以及深層大氣層的氣態巨星。」趙亮說。

研發添加氮化鎵的微型處理器的過程將會是具有挑戰性和持久性，所以很難估計美國宇航局何時能夠完成將該處理器裝備，更不知道該裝置何時能進行第一個太空探索任務。不過，趙先生希望能夠在10年內取得不錯的成果。

他總結說：「如果能夠在未來十年時間裡看到美國宇航局在這個項目中研究出真正有用的技術，我們將會感到非常高興。

文章來自phys.org，原文題目Gallium nitride processor—next-generation technology for space exploration，由材料科技在線匯總整理。

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