Una tecnica di incollaggio a temperatura ambiente per l'integrazione di materiali a banda proibita ampia come il nitruro di gallio (GaN) con materiali termoconduttori come il diamante potrebbe aumentare l'effetto di raffreddamento sui dispositivi GaN e facilitare prestazioni migliori attraverso livelli di potenza più elevati, durata del dispositivo più lunga, maggiore affidabilità e riduzione dei costi di produzione. La tecnica potrebbe avere applicazioni per trasmettitori wireless, radar, apparecchiature satellitari e altri dispositivi elettronici ad alta potenza e ad alta frequenza.

La tecnica, chiamato legame attivato dalla superficie, utilizza una sorgente di ioni in un ambiente ad alto vuoto per pulire prima le superfici del GaN e del diamante, che attiva le superfici creando legami penzolanti. L'introduzione di piccole quantità di silicio nei fasci di ioni facilita la formazione di forti legami atomici a temperatura ambiente, consentendo il legame diretto del GaN e del diamante a cristallo singolo che consente la fabbricazione di transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT).

Lo strato di interfaccia risultante dal GaN al diamante a cristallo singolo ha uno spessore di soli quattro nanometri, consentendo una dissipazione del calore fino a due volte più efficiente rispetto agli HEMT GaN-on-diamond all'avanguardia, eliminando il diamante di bassa qualità rimasto dalla crescita del diamante nanocristallino. Il diamante è attualmente integrato con GaN utilizzando tecniche di crescita cristallina che producono uno strato di interfaccia più spesso e diamante nanocristallino di bassa qualità vicino all'interfaccia. Inoltre, il nuovo processo può essere eseguito a temperatura ambiente utilizzando tecniche di incollaggio ad attivazione superficiale, riducendo lo stress termico applicato ai dispositivi.

"Questa tecnica ci consente di posizionare materiali ad alta conduttività termica molto più vicini alle regioni del dispositivo attivo nel nitruro di gallio, " ha detto Samuel Graham, l'Eugene C. Gwaltney, Jr. School Chair e Professore presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. "Le prestazioni ci consentono di massimizzare le prestazioni per il nitruro di gallio sui sistemi diamantati. Ciò consentirà agli ingegneri di progettare futuri semiconduttori personalizzati per un migliore funzionamento multifunzionale".

La ricerca, condotto in collaborazione con scienziati dell'Università Meisei e dell'Università Waseda in Giappone, è stato riportato il 19 febbraio sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS . Il lavoro è stato supportato da un progetto di iniziativa di ricerca universitaria multidisciplinare (MURI) dell'Ufficio di ricerca navale degli Stati Uniti (ONR).

Per applicazioni elettroniche ad alta potenza che utilizzano materiali come GaN in dispositivi miniaturizzati, la dissipazione del calore può essere un fattore limitante nelle densità di potenza imposte ai dispositivi. Aggiungendo uno strato di diamante, che conduce il calore cinque volte meglio del rame, gli ingegneri hanno cercato di diffondere e dissipare l'energia termica.

Però, quando i film di diamante vengono coltivati ​​su GaN, devono essere seminati con particelle nanocristalline di circa 30 nanometri di diametro, e questo strato di diamante nanocristallino ha una bassa conduttività termica, che aggiunge resistenza al flusso di calore nel film di diamante sfuso. Inoltre, la crescita avviene ad alte temperature, che possono creare crepe che producono stress nei transistor risultanti.

"Nella tecnica di crescita attualmente utilizzata, non si raggiungono realmente le proprietà di elevata conduttività termica dello strato di diamante microcristallino fino a quando non si è a pochi micron di distanza dall'interfaccia, "Ha detto Graham. "I materiali vicino all'interfaccia semplicemente non hanno buone proprietà termiche. Questa tecnica di incollaggio ci consente di iniziare con un diamante ad altissima conduttività termica proprio sull'interfaccia".

Creando un'interfaccia più sottile, la tecnica di incollaggio ad attivazione superficiale avvicina la dissipazione termica alla fonte di calore di GaN.

"La nostra tecnica di incollaggio avvicina il diamante a cristallo singolo ad alta conduttività termica ai punti caldi nei dispositivi GaN, che ha il potenziale per rimodellare il modo in cui questi dispositivi vengono raffreddati, " ha detto Zhe Cheng, un recente dottorato di ricerca in Georgia Tech. laureato che è il primo autore dell'articolo. "E poiché l'incollaggio avviene vicino alla temperatura ambiente, possiamo evitare stress termici che possono danneggiare i dispositivi."

Tale riduzione dello stress termico può essere significativa, passando da ben 900 megapascal (MPa) a meno di 100 MPa con la tecnica a temperatura ambiente. "Questo legame a bassa sollecitazione consente di integrare strati spessi di diamante con il GaN e fornisce un metodo per l'integrazione del diamante con altri materiali semiconduttori, " ha detto Graham.

Oltre il GaN e il diamante, la tecnica può essere utilizzata con altri semiconduttori, come l'ossido di gallio, e altri conduttori termici, come il carburo di silicio. Graham ha affermato che la tecnica ha ampie applicazioni per incollare materiali elettronici in cui i sottili strati di interfaccia sono vantaggiosi.

"Questo nuovo percorso ci dà la possibilità di mescolare e abbinare materiali, " ha detto. "Questo può fornirci grandi proprietà elettriche, ma il chiaro vantaggio è un'interfaccia termica di gran lunga superiore. Riteniamo che questa si dimostrerà la migliore tecnologia finora disponibile per l'integrazione di materiali a banda proibita ampia con substrati termicamente conduttivi".

Nel lavoro futuro, i ricercatori hanno in programma di studiare altre sorgenti di ioni e valutare altri materiali che potrebbero essere integrati utilizzando la tecnica.

"Abbiamo la possibilità di scegliere le condizioni di elaborazione, nonché il substrato e il materiale semiconduttore per progettare substrati eterogenei per dispositivi a banda larga, "Ha detto Graham. "Questo ci permette di scegliere i materiali e integrarli per massimizzare l'elettricità, proprietà termiche e meccaniche”.