Una técnica de unión a temperatura ambiente para integrar materiales de banda ancha como el nitruro de galio GaN con materiales térmicamente conductores como el diamante podría aumentar el efecto de enfriamiento en los dispositivos GaN y facilitar un mejor rendimiento a través de niveles de potencia más altos, mayor vida útil del dispositivo, mejoradofiabilidad y costos de fabricación reducidos. La técnica podría tener aplicaciones para transmisores inalámbricos, radares, equipos satelitales y otros dispositivos electrónicos de alta potencia y alta frecuencia.
La técnica, llamada 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 facilitaformando 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 a diamante monocristalino tiene solo cuatro nanómetros de grosor, lo que permite una disipación de calor hasta dos veces más eficiente que en los HEMT GaN sobre diamante de última generación al eliminar la baja calidaddiamante sobrante del crecimiento de diamantes nanocristalinos. Actualmente, el diamante está integrado con GaN utilizando técnicas de crecimiento cristalino que producen una capa de interfaz más gruesa y un diamante nanocristalino de baja calidad cerca de la interfaz. Además, el nuevo proceso se puede hacer a temperatura ambiente utilizando un enlace activado por superficietécnicas, reduciendo el estrés térmico aplicado 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, presidente de la escuela Eugene C. Gwaltney, Jr. y profesor en la escuela de George W. Woodruff School de Georgia TechIngeniería mecánica: "El rendimiento nos permite maximizar el rendimiento del nitruro de galio en los sistemas de diamante. Esto permitirá a los ingenieros diseñar a medida futuros semiconductores para una mejor operación multifuncional".
La investigación, realizada en colaboración con científicos de la Universidad de Meisei y la Universidad de Waseda en Japón, se informó el 19 de febrero en la revista Materiales e interfaces aplicados por 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 usan materiales como GaN en dispositivos miniaturizados, la disipación de calor puede ser un factor limitante en las densidades de potencia impuestas en los dispositivos. Al agregar una capa de diamante, que conduce el calor cinco veces mejor que el cobre, los ingenieros hantrató de difundir y disipar la energía térmica.
Sin embargo, cuando las películas de diamante 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 granelAdemás, el crecimiento se produce a altas temperaturas, lo que puede crear grietas que producen estrés en los transistores resultantes.
"En la técnica de crecimiento utilizada actualmente, realmente no se alcanzan las propiedades de alta conductividad térmica de la capa de diamante microcristalino hasta que se encuentra a unas pocas micras de la interfaz", dijo Graham. "Los materiales cerca de la interfaz simplemente no"tiene buenas propiedades térmicas. Esta técnica de unión nos permite comenzar con un diamante de conductividad térmica ultraalta directamente en la interfaz ".
Al crear una interfaz más delgada, la técnica de unión activada por superficie mueve la disipación térmica más cerca de la fuente de calor GaN.
"Nuestra técnica de unión acerca el diamante monocristalino de alta conductividad térmica a los puntos calientes en los dispositivos GaN, lo que tiene el potencial de remodelar la forma en que estos dispositivos se enfrían", dijo Zhe Cheng, un recién graduado de Georgia Tech Ph.D.quién es el primer autor del artículo: "Y debido a que la unión se produce cerca de la temperatura ambiente, podemos evitar tensiones térmicas que pueden dañar los dispositivos".
Esa reducción en el estrés térmico puede ser significativa, pasando de hasta 900 megapascales MPa a menos de 100 MPa con la técnica de temperatura ambiente ". Esta unión de bajo estrés permite integrar capas gruesas de diamante con el GaN yproporciona un método para la integración de diamantes con otros materiales semiconductores ", dijo Graham.
Más allá del GaN y el diamante, la técnica se puede usar con otros semiconductores, como el óxido de galio y otros conductores térmicos, como el carburo de silicio. Graham dijo que la técnica tiene amplias aplicaciones para unir materiales electrónicos en los que las capas finas de interfaz son ventajosas.
"Esta nueva vía nos da la capacidad de mezclar y combinar materiales", dijo. "Esto nos puede proporcionar excelentes propiedades eléctricas, pero la clara ventaja es una interfaz térmica muy superior. Creemos que esta será la mejortecnología disponible hasta ahora para integrar materiales de banda ancha con sustratos térmicamente conductores "
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 de banda ancha", dijo Graham. "Eso nos permite elegir los materiales e integrarlos para maximizar la electricidad, la térmica y la mecánicapropiedades "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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