Uma técnica de ligação à temperatura ambiente para integrar materiais de bandgap amplo, como nitreto de gálio (GaN), com materiais condutores de calor, como diamante, pode aumentar o efeito de resfriamento em dispositivos GaN e facilitar um melhor desempenho por meio de níveis de energia mais altos, maior vida útil do dispositivo, confiabilidade aprimorada e custos de fabricação reduzidos. A técnica pode ter aplicações para transmissores sem fio, radares, equipamentos de satélite e outros dispositivos eletrônicos de alta potência e alta frequência.

A tecnica, chamada ligação ativada por superfície, usa uma fonte de íons em um ambiente de alto vácuo para primeiro limpar as superfícies do GaN e do diamante, que ativa as superfícies criando ligações pendentes. A introdução de pequenas quantidades de silício nos feixes de íons facilita a formação de fortes ligações atômicas em temperatura ambiente, permitindo a ligação direta do GaN e do diamante de cristal único que permite a fabricação de transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs).

A camada de interface resultante de GaN para diamante de cristal único tem apenas quatro nanômetros de espessura, permitindo a dissipação de calor até duas vezes mais eficiente do que nos HEMTs GaN-on-diamante de última geração, eliminando o diamante de baixa qualidade que sobrou do crescimento do diamante nanocristalino. O diamante está atualmente integrado com GaN usando técnicas de crescimento cristalino que produzem uma camada de interface mais espessa e diamante nanocristalino de baixa qualidade perto da interface. Adicionalmente, o novo processo pode ser feito à temperatura ambiente usando técnicas de ligação ativadas por superfície, reduzindo o estresse térmico aplicado aos dispositivos.

"Esta técnica nos permite colocar materiais de alta condutividade térmica muito mais próximos das regiões do dispositivo ativo em nitreto de gálio, "disse Samuel Graham, o Eugene C. Gwaltney, Presidente da Escola Jr. e Professor na Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff da Georgia Tech. "O desempenho nos permite maximizar o desempenho do nitreto de gálio em sistemas de diamante. Isso permitirá que os engenheiros projetem semicondutores futuros sob medida para uma operação multifuncional melhor."

A pesquisa, conduzido em colaboração com cientistas da Universidade Meisei e da Universidade Waseda no Japão, foi relatado em 19 de fevereiro no jornal Materiais e interfaces aplicados ACS . O trabalho foi apoiado por um projeto de iniciativa de pesquisa universitária multidisciplinar (MURI) do U.S. Office of Naval Research (ONR).

Para aplicações eletrônicas de alta potência usando materiais como GaN em dispositivos miniaturizados, a dissipação de calor pode ser um fator limitante nas densidades de potência impostas aos dispositivos. Ao adicionar uma camada de diamante, que conduz o calor cinco vezes melhor do que o cobre, engenheiros tentaram espalhar e dissipar a energia térmica.

Contudo, quando os filmes de diamante são cultivados em GaN, eles devem ser semeados com partículas nanocristalinas com cerca de 30 nanômetros de diâmetro, e esta camada de diamante nanocristalino tem baixa condutividade térmica - o que adiciona resistência ao fluxo de calor no filme de diamante a granel. Além disso, o crescimento ocorre em altas temperaturas, o que pode criar rachaduras que produzem tensão nos transistores resultantes.

"Na técnica de crescimento usada atualmente, você não alcança realmente as propriedades de alta condutividade térmica da camada de diamante microcristalina até que esteja a alguns mícrons de distância da interface, "Graham disse." Os materiais próximos à interface simplesmente não têm boas propriedades térmicas. Essa técnica de ligação nos permite começar com diamante de ultra-alta condutividade térmica bem na interface. "

Ao criar uma interface mais fina, a técnica de ligação ativada por superfície move a dissipação térmica para mais perto da fonte de calor de GaN.

"Nossa técnica de ligação traz diamante de cristal único de alta condutividade térmica para mais perto dos pontos quentes nos dispositivos de GaN, que tem o potencial de remodelar a forma como esses dispositivos são resfriados, "disse Zhe Cheng, um recente Ph.D. em Georgia Tech graduar quem é o primeiro autor do artigo. "E porque a ligação ocorre perto da temperatura ambiente, podemos evitar tensões térmicas que podem danificar os dispositivos. "

Essa redução no estresse térmico pode ser significativa, indo de até 900 megapascais (MPa) para menos de 100 MPa com a técnica de temperatura ambiente. "Esta ligação de baixa tensão permite que camadas espessas de diamante sejam integradas ao GaN e fornece um método para integração do diamante com outros materiais semicondutores, "Graham disse.

Além do GaN e do diamante, a técnica pode ser usada com outros semicondutores, como óxido de gálio, e outros condutores térmicos, como carboneto de silício. Graham disse que a técnica tem amplas aplicações para unir materiais eletrônicos onde camadas interfaciais finas são vantajosas.

"Este novo caminho nos dá a capacidade de misturar e combinar materiais, "disse ele." Isso pode nos fornecer grandes propriedades elétricas, mas a vantagem clara é uma interface térmica muito superior. Acreditamos que esta será a melhor tecnologia disponível até agora para a integração de materiais com grande espaçamento entre bandas e substratos termicamente condutores. "

Em trabalho futuro, os pesquisadores planejam estudar outras fontes de íons e avaliar outros materiais que poderiam ser integrados usando a técnica.

"Temos a capacidade de escolher as condições de processamento, bem como o substrato e o material semicondutor para projetar substratos heterogêneos para dispositivos de largura de banda larga, "Graham disse." Isso nos permite escolher os materiais e integrá-los para maximizar a eletricidade, propriedades térmicas e mecânicas. "