Een verbindingstechniek bij kamertemperatuur voor het integreren van materialen met een brede bandgap zoals galliumnitride (GaN) met thermisch geleidende materialen zoals diamant zou het koeleffect op GaN-apparaten kunnen versterken en betere prestaties mogelijk maken door hogere vermogensniveaus, langere levensduur van het apparaat, verbeterde betrouwbaarheid en lagere productiekosten. De techniek kan toepassingen hebben voor draadloze zenders, radars, satellietapparatuur en andere elektronische apparaten met hoog vermogen en hoge frequentie.

De techniek, oppervlakte-geactiveerde binding genoemd, gebruikt een ionenbron in een hoogvacuümomgeving om eerst de oppervlakken van de GaN en diamant te reinigen, die de oppervlakken activeert door bungelende banden te creëren. Het introduceren van kleine hoeveelheden silicium in de ionenbundels vergemakkelijkt de vorming van sterke atomaire bindingen bij kamertemperatuur, waardoor de directe binding van de GaN en monokristallijne diamant mogelijk is, waardoor de fabricage van transistors met hoge elektronenmobiliteit (HEMT's) mogelijk is.

De resulterende grenslaag van GaN tot enkelkristaldiamant is slechts vier nanometer dik, waardoor warmteafvoer tot twee keer efficiënter is dan in de ultramoderne GaN-op-diamant HEMT's door de diamant van lage kwaliteit die overblijft na de groei van nanokristallijne diamant te elimineren. Diamant is momenteel geïntegreerd met GaN met behulp van kristallijne groeitechnieken die een dikkere interfacelaag en nanokristallijne diamant van lage kwaliteit nabij de interface produceren. Aanvullend, het nieuwe proces kan bij kamertemperatuur worden uitgevoerd met behulp van oppervlakte-geactiveerde bindingstechnieken, het verminderen van de thermische belasting die op de apparaten wordt uitgeoefend.

"Deze techniek stelt ons in staat om materialen met een hoge thermische geleidbaarheid veel dichter bij de actieve apparaatgebieden in galliumnitride te plaatsen, " zei Samuel Graham, de Eugene C. Gwaltney, Jr. School Chair en Professor in Georgia Tech's George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "De prestaties stellen ons in staat om de prestaties voor galliumnitride op diamantsystemen te maximaliseren. Hierdoor kunnen ingenieurs toekomstige halfgeleiders op maat ontwerpen voor een betere multifunctionele werking."

Het onderzoek, uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van Meisei University en Waseda University in Japan, werd op 19 februari gerapporteerd in het journaal ACS toegepaste materialen en interfaces . Het werk werd ondersteund door een multidisciplinair universitair onderzoeksinitiatief (MURI) project van het U.S. Office of Naval Research (ONR).

Voor high-power elektronische toepassingen die materialen zoals GaN in geminiaturiseerde apparaten gebruiken, warmteafvoer kan een beperkende factor zijn in de vermogensdichtheid die aan de apparaten wordt opgelegd. Door een laag diamant toe te voegen, die warmte vijf keer beter geleidt dan koper, ingenieurs hebben geprobeerd de thermische energie te verspreiden en af ​​te voeren.

Echter, wanneer diamantfilms worden gekweekt op GaN, ze moeten worden ingezaaid met nanokristallijne deeltjes met een diameter van ongeveer 30 nanometer, en deze laag nanokristallijne diamant heeft een lage thermische geleidbaarheid, wat weerstand toevoegt aan de warmtestroom in de bulkdiamantfilm. In aanvulling, de groei vindt plaats bij hoge temperaturen, die spanningsveroorzakende scheuren in de resulterende transistoren kunnen veroorzaken.

"In de huidige groeitechniek, je bereikt de hoge thermische geleidbaarheidseigenschappen van de microkristallijne diamantlaag pas echt als je een paar micron verwijderd bent van het grensvlak, Graham zei. "De materialen in de buurt van het grensvlak hebben gewoon geen goede thermische eigenschappen. Deze hechttechniek stelt ons in staat om direct bij de interface te beginnen met diamant met ultrahoge thermische geleidbaarheid."

Door een dunnere interface te creëren, de oppervlakte-geactiveerde bindingstechniek brengt de thermische dissipatie dichter bij de GaN-warmtebron.

"Onze hechttechniek brengt eenkristaldiamant met hoge thermische geleidbaarheid dichter bij de hotspots in de GaN-apparaten, die het potentieel heeft om de manier waarop deze apparaten worden gekoeld opnieuw vorm te geven, " zei Zhe Cheng, een recente Georgia Tech Ph.D. afgestudeerd die de eerste auteur van de paper is. "En omdat de hechting plaatsvindt bij kamertemperatuur, we kunnen thermische spanningen vermijden die de apparaten kunnen beschadigen."

Die vermindering van thermische spanning kan aanzienlijk zijn, gaande van maar liefst 900 megapascal (MPa) tot minder dan 100 MPa met de kamertemperatuurtechniek. "Deze binding met lage spanning zorgt ervoor dat dikke lagen diamant kunnen worden geïntegreerd met de GaN en biedt een methode voor diamantintegratie met andere halfgeleidermaterialen, ' zei Bram.

Voorbij de GaN en diamant, de techniek kan worden gebruikt met andere halfgeleiders, zoals galliumoxide, en andere thermische geleiders, zoals siliciumcarbide. Graham zei dat de techniek brede toepassingen heeft om elektronische materialen te hechten waar dunne grenslaaglagen voordelig zijn.

"Dit nieuwe pad geeft ons de mogelijkheid om materialen te mixen en matchen, " zei hij. "Dit kan ons geweldige elektrische eigenschappen geven, maar het duidelijke voordeel is een enorm superieure thermische interface. We denken dat dit de beste technologie zal blijken te zijn die tot nu toe beschikbaar is voor het integreren van materialen met een brede bandgap met thermisch geleidende substraten."

Bij toekomstig werk, de onderzoekers zijn van plan om andere ionenbronnen te bestuderen en andere materialen te evalueren die met behulp van de techniek kunnen worden geïntegreerd.

"We hebben de mogelijkheid om zowel de verwerkingsomstandigheden als het substraat en het halfgeleidermateriaal te kiezen om heterogene substraten voor apparaten met een brede bandgap te ontwerpen, Graham zei. "Dat stelt ons in staat om de materialen te kiezen en te integreren om elektrische, thermische en mechanische eigenschappen."