Uma equipe de engenheiros da Universidade de Illinois descobriu que o modelo usado atualmente para prever a perda de calor em um material semicondutor comum não se aplica a todas as situações. Ao testar as propriedades térmicas de semicondutores de nitreto de gálio fabricados usando quatro métodos populares, a equipe descobriu que algumas técnicas produzem materiais com melhor desempenho do que outras. Esse novo entendimento pode ajudar os fabricantes de chips a encontrar maneiras de difundir melhor o calor que causa danos ao dispositivo e diminui sua vida útil.

Os chips de silício estão sendo levados ao seu limite para atender às demandas dos dispositivos eletrônicos de hoje. Nitreto de gálio, outro material semicondutor, é mais adequado para uso em aplicações de alta tensão e alta corrente, como aquelas necessárias para telefones 5G, dispositivos da "internet das coisas", robótica e veículos autônomos. Lascas de nitreto de gálio já estão em uso, mas não há estudos sistemáticos que examinem as propriedades térmicas das várias formas do material, disseram os pesquisadores. Suas descobertas são publicadas no Journal of Applied Physics .

Os chips de nitreto de gálio são produzidos depositando vapor de nitreto de gálio em uma superfície onde ele se cristaliza em um sólido, disseram os pesquisadores.

"A composição e estrutura atômica da superfície usada para crescer os cristais influenciam o número de defeitos no produto final, "disse Can Bayram, professor de engenharia elétrica e de computação e autor principal do estudo. "Por exemplo, cristais crescidos em superfícies de silício produzem um semicondutor com muitos defeitos - resultando em menor condutividade térmica e pontos de acesso mais quentes - porque as estruturas atômicas de silício e nitreto de gálio são muito diferentes. "

A equipe testou a condutividade térmica do nitreto de gálio cultivado usando as quatro técnicas de fabricação mais importantes do ponto de vista tecnológico:epitaxia de fase de vapor de hidreto, alta pressão de nitreto, deposição de vapor em safira e deposição de vapor em silício.

Para descobrir como as diferentes técnicas de fabricação influenciam as propriedades térmicas do nitreto de gálio, a equipe mediu a condutividade térmica, densidade do defeito e a concentração de impurezas de cada material.

"Usando nossos novos dados, fomos capazes de desenvolver um modelo que descreve como os defeitos afetam as propriedades térmicas dos semicondutores de nitreto de gálio, "Bayram disse." Este modelo fornece um meio de estimar a condutividade térmica de amostras indiretamente usando dados de defeitos, o que é mais fácil do que medir diretamente a condutividade térmica. "

A equipe descobriu que o silício - a mais econômica de todas as superfícies usadas para cultivar nitreto de gálio - produz cristais com a maior densidade de defeito dos quatro métodos de fabricação populares. A deposição na safira torna um cristal melhor com maior condutividade térmica e menor densidade de defeito, mas este método não é tão econômico. As técnicas de epitaxia de vapor de hidreto e de alta pressão de nitreto produzem produtos superiores em termos de propriedades térmicas e densidade de defeitos, mas os processos são muito caros, Disse Bayram.

Os chips baseados em nitreto de gálio que usam cristais cultivados em silício são provavelmente adequados para o mercado de eletrônicos de consumo, onde custo e acessibilidade são fundamentais, ele disse. Contudo, Dispositivos de nível militar que exigem maior confiabilidade se beneficiarão de chips feitos usando processos mais caros.

"Estamos tentando criar um sistema de maior eficiência para que possamos obter mais de nossos dispositivos - talvez um que possa durar 50 anos em vez de cinco, "Bayram disse." Entender como o calor se dissipa nos permitirá fazer a reengenharia de sistemas para serem mais resistentes a pontos de acesso. Este trabalho, realizado inteiramente na U. de I., estabelece a base no gerenciamento térmico dos dispositivos semicondutores baseados em nitreto de gálio tecnologicamente importantes. "