Een team van ingenieurs van de University of Illinois heeft ontdekt dat het model dat momenteel wordt gebruikt om warmteverlies in een gewoon halfgeleidermateriaal te voorspellen, niet in alle situaties van toepassing is. Door de thermische eigenschappen te testen van galliumnitride-halfgeleiders die zijn vervaardigd met behulp van vier populaire methoden, het team ontdekte dat sommige technieken materialen opleveren die beter presteren dan andere. Dit nieuwe begrip kan chipfabrikanten helpen manieren te vinden om de warmte die leidt tot schade aan het apparaat en een kortere levensduur van het apparaat, beter te verspreiden.

Siliciumchips worden tot het uiterste gedreven om te voldoen aan de eisen van de hedendaagse elektronische apparaten. Galliumnitride, een ander halfgeleidermateriaal, is beter geschikt voor gebruik in hoogspannings- en hoogstroomtoepassingen zoals die nodig zijn voor 5G-telefoons, "internet of things"-apparaten, robotica en autonome voertuigen. Galliumnitride-chips zijn al in gebruik, maar er zijn geen systematische studies die de thermische eigenschappen van de verschillende vormen van het materiaal onderzoeken, aldus de onderzoekers. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

Galliumnitride-chips worden geproduceerd door galliumnitridedamp af te zetten op een oppervlak waar het kristalliseert tot een vaste stof, aldus de onderzoekers.

"De samenstelling en atomaire structuur van het oppervlak dat wordt gebruikt om de kristallen te laten groeien, beïnvloedt het aantal defecten in het eindproduct, " zei Can Bayram, een professor in elektrische en computertechniek en hoofdauteur van de studie. "Bijvoorbeeld, kristallen die op siliciumoppervlakken worden gekweekt, produceren een halfgeleider met veel defecten - wat resulteert in een lagere thermische geleidbaarheid en heter hotspots - omdat de atomaire structuren van silicium en galliumnitride heel anders zijn."

Het team testte de thermische geleidbaarheid van galliumnitride gekweekt met behulp van de vier technologisch meest belangrijke fabricagetechnieken:hydride dampfase epitaxie, hoge nitridedruk, opdampen op saffier en opdampen op silicium.

Om erachter te komen hoe de verschillende fabricagetechnieken de thermische eigenschappen van galliumnitride beïnvloeden, het team heeft de thermische geleidbaarheid gemeten, defectdichtheid en de concentratie van onzuiverheden van elk materiaal.

"Met onze nieuwe gegevens, konden we een model ontwikkelen dat beschrijft hoe defecten de thermische eigenschappen van galliumnitride halfgeleiders beïnvloeden, Bayram zei. "Dit model biedt een middel om de thermische geleidbaarheid van monsters indirect te schatten met behulp van defectgegevens, wat makkelijker is dan het direct meten van de thermische geleidbaarheid."

Het team ontdekte dat silicium - de meest economische van alle oppervlakken die worden gebruikt om galliumnitride te laten groeien - kristallen produceert met de hoogste defectdichtheid van de vier populaire fabricagemethoden. Depositie op saffier zorgt voor een beter kristal met een hogere thermische geleidbaarheid en een lagere defectdichtheid, maar deze methode is lang niet zo economisch. De hydridedampepitaxie en hoge nitridedruktechnieken produceren superieure producten in termen van thermische eigenschappen en defectdichtheid, maar de processen zijn erg duur, zei Bayram.

Op galliumnitride gebaseerde chips die op silicium gekweekte kristallen gebruiken, zijn waarschijnlijk geschikt voor de markt voor consumentenelektronica, waar kosten en betaalbaarheid centraal staan, hij zei. Echter, apparaten van militaire kwaliteit die een betere betrouwbaarheid vereisen, zullen profiteren van chips die zijn gemaakt met behulp van de duurdere processen.

"We proberen een systeem met hogere efficiëntie te creëren, zodat we meer uit onze apparaten kunnen halen - misschien een die 50 jaar meegaat in plaats van vijf, " zei Bayram. "Als we begrijpen hoe warmte wordt afgevoerd, kunnen we systemen opnieuw ontwerpen om beter bestand te zijn tegen hotspots. Dit werk, volledig uitgevoerd aan de U. of I., legt de basis in het thermisch beheer van de technologisch belangrijke op galliumnitride gebaseerde halfgeleiderapparaten."