新型存储设计方案出炉,耐受高温,助力人类登陆火星

研究人员们正在处理探测站中安装的存储设备，由左至右分别为Houqiang Fu、Yuji Zhao以及Kai Fu。

在水星荒凉而布满陨石坑的表面上，其日间温度可高达430摄氏度。而在距离太阳更远一些(为水星距日长度近两倍)的金星上，由于富含二氧化碳气体，表面温度更是高达约462摄氏度。

亚利桑那州立大学材料科学家Yuji Zhao表示，“这意味着送往那里的一切设备，都必须能够承受这么高的工作温度。”其中包括各类仪器、传感器以及探测设备中的电子系统。虽然到目前为止人类还没有在水星表面部署任何长期探测装置，不过1982年曾有一台降落在金星上的探测器保持着最长运作纪录——苏联的威尼拉13号探测器，但其幸存时间也只有短短127分钟。(相比之下，好奇号火星车于2012年正式登陆火星，且直到目前仍在正常工作。)

为了开发出能够承受高温环境的下一代电子产品，Zhao和他的团队最近在IEEE《电子设备器件快报》中发表文章，披露了一种能够在25到300摄氏度温度区间内正常工作的氮化镓存储器件。此项研究由美国宇航局势操作温度技术(简称HOTTech)计划资助，用于支持未来面向水星及金星开展的探测任务。

Zhao介绍称，“这里空无一人，而且目前还没有任何技术能够持续经受这种高温的考验。”

由于氮化镓具有较大的带隙，因此也就成为高温电子学的理想研究方向。传统硅芯片的带隙仅为1.12 eV。这意味着只要升高非常有限的温度，硅元素中的电子就很容易受到激发并由价带转换为导带。Zhao解释称，“结果就是，我们将无法继续控制载波，设备也会相应发生故障。”相比之下，氮化镓的带隙为3.4 eV，这意味着设备能够在发生电子紊乱之前承受更高的温度。当然，氮化镓并不是唯一一种具有高带隙的半导体材料;在这一高温电子学探索当中，美国宇航局还通过HOTTech计划投资于另一种竞争性材料，碳化硅。

在制造过程中，研究人员利用化学气相沉积法在氮化镓衬底之上添加存储器件。Zhao解释称，设备性能的关键在于制造流程中的蚀刻与再生过程。在沉积多层氮化镓之后，需要用等离子体蚀刻掉其中一部分区域，而后再进行沉积再生。Zhao指出，这就产生出一个接口层，其中包含大量缺少氮原子的空位。“接口层对于存储效应至关重要。”研究人员们认为，氮空位将负责捕获及释放电子，从而在器件中产生高阻态与低阻态——二者将分别对应二进制中的0与1。

在室温条件下，该装置显示出稳定的阻态转换能力。经过多达1000次循环的测试之后，其0与1的状态转换能力几乎没有任何衰减。在此之后，研究人员在高达300摄氏度的高温环境中对其性能进行测试，该设备继续以稳定的状态完成了另外一千次0到1状态转换周期。虽然在高于350摄氏度的条件下，该设备失去了存储效应，但在将其恢复至室温条件后，性能得以再次恢复。Zhao解释道，“这种设备实际上非常稳健。”

当然，具体结果还需要进一步评估：Zhao和他的团队正在测试该设备的另一套版本，旨在确保其能够在高达500摄氏度的环境中正常运行，且具备长期稳定性。另外，该团队还在调查氮空位对于设备性能的影响。Zhao表示，一旦美国宇航局对原型设计结果感到满意，接下来就是在受控室内进行测试，用以模拟位于水星及金星的美国宇航局设施内的真实恶劣环境。他最后总结道，“必须承认，还得经过几年时间，这套方案才会真正成熟。不过目前的初步结果无疑足以令人感到鼓舞与兴奋。”