打破溫度天花板！科學家開發新電子元件，可在絕對零度達 500°C 運作

沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）科學家開發出一種電子元件，能在極端高溫與極端低溫環境下仍保持穩定運作。研究人員表示，這些由氧化鎵（gallium oxide）製成的元件，可承受從接近絕對零度到 500°C 的溫度範圍。這也使這類元件在太空科技領域具有廣泛應用潛力，因為太空環境中溫度劇烈變化是常態。

大部分傳統電子系統都使用半導體矽，部分高功率與高頻元件則使用氮化鎵與碳化矽。在這些材料中，要讓電子導電，電子必須獲得足夠能量進入可導電能帶，才能在材料中移動並產生電流。

在極低溫環境下，電子會失去足夠的熱能而無法移動，進而被困住，這種現象稱為「凍結效應」（freeze-out）。研究團隊領導者、前博士生 Vishal Khandelwal 表示，實際上，大多數傳統電子元件在低於約 100K（−173°C）時就開始失效。

由於傳統電子元件在極低溫下會出現不可預測的行為，因此在深空探索與量子運算等環境中，系統通常需要特殊電子設計與複雜的熱管理機制，進而增加成本、體積與系統複雜度；另一方面，隨著溫度升高，電子會獲得越來越多熱能，最後會引發電流洩漏、開關行為不穩定、過熱，最終導致元件失效。

為了解決這個問題，研究人員採用超寬能隙半導體「β 型氧化鎵」（β-Ga₂O₃），其極寬的能隙使電子更難被激發進入導電狀態，在高溫下能有效抑制電流洩漏、提升穩定性，並能承受高達 500°C（932°F）的極端環境與電氣擊穿。

為了克服在低溫下常見的凍結效應，研究人員將矽原子大量摻入 β 型氧化鎵中。

透過引入高濃度的矽摻雜劑，研究團隊創造出一種條件，使電子不再完全依賴熱能進入導電能帶，而是能在彼此距離很近的矽相關能態之間以「跳躍」（hopping）方式移動，這使材料即使在極端低溫（接近絕對零度）下，仍能維持電導能力，而傳統半導體在這種環境中通常會出現嚴重的載子凍結效應。

研究人員接著基於這種「矽摻雜的 β 型氧化鎵」製作兩種元件：一種是鰭式場效電晶體（FinFET），其鰭狀通道結構使其比傳統場效電晶體更強、更穩定；另一種是邏輯元件「反相器」（inverter）（也稱為 NOT 邏輯閘），是電腦電路中最基礎的構成單元之一。

根據研究團隊表示，這兩種元件在低至 2K（−271.1°C）的溫度下仍能穩定運作。

研究人員的下一步目標是基於 β 型氧化鎵打造一系列耐溫電子元件組合，包括射頻電晶體、光偵測器以及記憶體元件。如果這項技術成功實現，這些元件將非常適合用於太空探測器、衛星及其他需要面對太空中極端溫度劇烈變化的科技應用。