Un equipo de ingenieros de la Universidad de Illinois descubrió que el modelo que se usa actualmente para predecir la pérdida de calor en un material semiconductor común no se aplica en todas las situaciones. Al probar las propiedades térmicas de los semiconductores de nitruro de galio fabricados con cuatro métodos populares, el equipo descubrió que algunas técnicas producen materiales que funcionan mejor que otras. Esta nueva comprensión puede ayudar a los fabricantes de chips a encontrar formas de difundir mejor el calor que daña el dispositivo y reduce la vida útil del dispositivo.

Los chips de silicio se están llevando al límite para satisfacer las demandas de los dispositivos electrónicos actuales. Nitruro de galio, otro material semiconductor, es más adecuado para su uso en aplicaciones de alto voltaje y alta corriente como las necesarias para teléfonos 5G, dispositivos de "Internet de las cosas", robótica y vehículos autónomos. Los chips de nitruro de galio ya están en uso, pero no hay estudios sistemáticos que examinen las propiedades térmicas de las diversas formas del material, dijeron los investigadores. Sus hallazgos se publican en el Revista de física aplicada .

Los chips de nitruro de galio se producen depositando vapor de nitruro de galio en una superficie donde cristaliza en un sólido, dijeron los investigadores.

"La composición y estructura atómica de la superficie utilizada para hacer crecer los cristales influye en la cantidad de defectos en el producto final, "dijo Can Bayram, profesor de ingeniería eléctrica e informática y autor principal del estudio. "Por ejemplo, los cristales que crecen en superficies de silicio producen un semiconductor con muchos defectos, lo que resulta en una conductividad térmica más baja y puntos calientes más calientes, porque las estructuras atómicas del silicio y el nitruro de galio son muy diferentes ".

El equipo probó la conductividad térmica del nitruro de galio cultivado utilizando las cuatro técnicas de fabricación más importantes desde el punto de vista tecnológico:epitaxia en fase de vapor de hidruro, alta presión de nitruro, deposición de vapor sobre zafiro y deposición de vapor sobre silicio.

Para descubrir cómo las diferentes técnicas de fabricación influyen en las propiedades térmicas del nitruro de galio, el equipo midió la conductividad térmica, densidad de defectos y la concentración de impurezas de cada material.

"Con nuestros nuevos datos, pudimos desarrollar un modelo que describe cómo los defectos afectan las propiedades térmicas de los semiconductores de nitruro de galio, ", Dijo Bayram." Este modelo proporciona un medio para estimar la conductividad térmica de las muestras utilizando indirectamente datos de defectos, que es más fácil que medir directamente la conductividad térmica ".

El equipo descubrió que el silicio, la más económica de todas las superficies que se utilizan para cultivar nitruro de galio, produce cristales con la mayor densidad de defectos de los cuatro métodos de fabricación populares. La deposición sobre zafiro produce un mejor cristal con mayor conductividad térmica y menor densidad de defectos. pero este método no es tan económico. Las técnicas de epitaxia de vapor de hidruro y alta presión de nitruro producen productos superiores en términos de propiedades térmicas y densidad de defectos. pero los procesos son muy caros, Dijo Bayram.

Los chips a base de nitruro de galio que utilizan cristales cultivados en silicio probablemente sean adecuados para el mercado de la electrónica de consumo. donde el costo y la asequibilidad son clave, él dijo. Sin embargo, Los dispositivos de grado militar que requieren una mayor confiabilidad se beneficiarán de los chips fabricados utilizando los procesos más costosos.

"Estamos tratando de crear un sistema de mayor eficiencia para que podamos sacar más provecho de nuestros dispositivos, tal vez uno que pueda durar 50 años en lugar de cinco, ", Dijo Bayram." Comprender cómo se disipa el calor nos permitirá rediseñar los sistemas para que sean más resistentes a los puntos críticos. Este trabajo, realizado íntegramente en la U. de I., sienta las bases de la gestión térmica de los dispositivos semiconductores a base de nitruro de galio de importancia tecnológica ".