Una técnica de unión a temperatura ambiente para integrar materiales con banda prohibida amplia como el nitruro de galio (GaN) con materiales conductores térmicos como el diamante podría aumentar el efecto de enfriamiento en los dispositivos de GaN y facilitar un mejor rendimiento a través de niveles de potencia más altos. mayor vida útil del dispositivo, confiabilidad mejorada y costos de fabricación reducidos. La técnica podría tener aplicaciones para transmisores inalámbricos, radares, equipos de satélite y otros dispositivos electrónicos de alta potencia y alta frecuencia.

La técnica, llamado unión activada por superficie, utiliza una fuente de iones en un entorno de alto vacío para limpiar primero las superficies del GaN y el diamante, que activa las superficies creando enlaces colgantes. La introducción de pequeñas cantidades de silicio en los haces de iones facilita la formación de fuertes enlaces atómicos a temperatura ambiente. permitiendo la unión directa del GaN y el diamante monocristalino que permite la fabricación de transistores de alta movilidad de electrones (HEMT).

La capa de interfaz resultante de GaN al diamante monocristalino tiene solo cuatro nanómetros de espesor, permitiendo la disipación de calor hasta dos veces más eficiente que en los HEMT de GaN sobre diamante de última generación al eliminar el diamante de baja calidad que queda del crecimiento de diamantes nanocristalinos. Actualmente, el diamante se integra con GaN mediante técnicas de crecimiento cristalino que producen una capa de interfaz más gruesa y un diamante nanocristalino de baja calidad cerca de la interfaz. Adicionalmente, el nuevo proceso se puede realizar a temperatura ambiente utilizando técnicas de unión activadas por superficie, reduciendo la tensión térmica aplicada a los dispositivos.

"Esta técnica nos permite colocar materiales de alta conductividad térmica mucho más cerca de las regiones activas del dispositivo en nitruro de galio, "dijo Samuel Graham, el Eugene C. Gwaltney, Presidente de la escuela Jr. y profesor en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech. "El rendimiento nos permite maximizar el rendimiento del nitruro de galio en los sistemas de diamante. Esto permitirá a los ingenieros diseñar futuros semiconductores a medida para un mejor funcionamiento multifuncional".

La investigación, realizado en colaboración con científicos de la Universidad de Meisei y la Universidad de Waseda en Japón, fue reportado el 19 de febrero en la revista Materiales e interfaces aplicados de ACS . El trabajo fue apoyado por un proyecto de iniciativa de investigación universitaria multidisciplinaria (MURI) de la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos (ONR).

Para aplicaciones electrónicas de alta potencia que utilizan materiales como GaN en dispositivos miniaturizados, La disipación de calor puede ser un factor limitante en las densidades de potencia impuestas a los dispositivos. Añadiendo una capa de diamante, que conduce el calor cinco veces mejor que el cobre, los ingenieros han intentado difundir y disipar la energía térmica.

Sin embargo, cuando las películas de diamantes se cultivan en GaN, deben sembrarse con partículas nanocristalinas de alrededor de 30 nanómetros de diámetro, y esta capa de diamante nanocristalino tiene baja conductividad térmica, lo que agrega resistencia al flujo de calor en la película de diamante a granel. Además, el crecimiento tiene lugar a altas temperaturas, lo que puede crear grietas que produzcan tensión en los transistores resultantes.

"En la técnica de crecimiento que se utiliza actualmente, Realmente no alcanza las propiedades de alta conductividad térmica de la capa de diamante microcristalino hasta que está a unos pocos micrones de la interfaz, "Dijo Graham." Los materiales cerca de la interfaz simplemente no tienen buenas propiedades térmicas. Esta técnica de unión nos permite comenzar con un diamante de conductividad térmica ultra alta justo en la interfaz ".

Al crear una interfaz más delgada, la técnica de unión activada por superficie acerca la disipación térmica a la fuente de calor de GaN.

"Nuestra técnica de unión acerca el diamante monocristalino de alta conductividad térmica a los puntos calientes de los dispositivos de GaN, que tiene el potencial de remodelar la forma en que estos dispositivos se enfrían, "dijo Zhe Cheng, un reciente doctorado en tecnología de Georgia. graduado que es el primer autor del artículo. "Y debido a que la unión se realiza cerca de la temperatura ambiente, podemos evitar tensiones térmicas que pueden dañar los dispositivos ".

Esa reducción del estrés térmico puede ser significativa, pasando de 900 megapascales (MPa) a menos de 100 MPa con la técnica de temperatura ambiente. "Esta unión de baja tensión permite que capas gruesas de diamante se integren con el GaN y proporciona un método para la integración del diamante con otros materiales semiconductores, "Dijo Graham.

Más allá del GaN y el diamante, la técnica se puede utilizar con otros semiconductores, como el óxido de galio, y otros conductores térmicos, como carburo de silicio. Graham dijo que la técnica tiene amplias aplicaciones para unir materiales electrónicos donde las capas interfaciales delgadas son ventajosas.

"Esta nueva vía nos da la capacidad de mezclar y combinar materiales, ", dijo." Esto nos puede proporcionar grandes propiedades eléctricas, pero la clara ventaja es una interfaz térmica muy superior. Creemos que esta será la mejor tecnología disponible hasta ahora para integrar materiales con banda prohibida amplia con sustratos conductores térmicos ".

En el trabajo futuro, los investigadores planean estudiar otras fuentes de iones y evaluar otros materiales que podrían integrarse utilizando la técnica.

"Tenemos la capacidad de elegir las condiciones de procesamiento, así como el sustrato y el material semiconductor para diseñar sustratos heterogéneos para dispositivos con banda prohibida amplia". ", Dijo Graham." Eso nos permite elegir los materiales e integrarlos para maximizar la electricidad, propiedades térmicas y mecánicas ".