Rumtemperaturbundet grænseflade forbedrer afkøling af galliumnitrid-enheder

En rumtemperaturbindingsteknik til at integrere materialer med brede båndgab såsom galliumnitrid (GaN) med termisk ledende materialer såsom diamant kan øge køleeffekten på GaN-enheder og lette bedre ydeevne gennem højere effektniveauer, længere levetid for enheden, forbedret pålidelighed og reducerede produktionsomkostninger. Teknikken kunne have applikationer til trådløse sendere, radarer, satellitudstyr og andet høj- og højfrekvent elektronisk udstyr.

Teknikken, kaldet overfladeaktiveret binding, bruger en ionkilde i et højvakuummiljø til først at rense overfladerne af GaN og diamant, som aktiverer overfladerne ved at skabe dinglende bindinger. Indføring af små mængder silicium i ionstrålerne letter dannelsen af ​​stærke atombindinger ved stuetemperatur, tillader den direkte binding af GaN og enkeltkrystaldiamanten, der tillader fremstilling af transistorer med høj elektronmobilitet (HEMT'er).

Det resulterende grænsefladelag fra GaN til en-krystal diamant er kun fire nanometer tykt, tillader varmeafledning op til to gange mere effektiv end i de avancerede GaN-on-diamant HEMT'er ved at eliminere den lavkvalitetsdiamant, der er tilbage fra nanokrystallinsk diamantvækst. Diamond er i øjeblikket integreret med GaN ved hjælp af krystallinske vækstteknikker, der producerer et tykkere grænsefladelag og nanokrystallinsk diamant af lav kvalitet nær grænsefladen. Derudover den nye proces kan udføres ved stuetemperatur ved hjælp af overfladeaktiverede bindingsteknikker, reducere den termiske spænding, der påføres enhederne.

"Denne teknik giver os mulighed for at placere materialer med høj varmeledningsevne meget tættere på de aktive enhedsområder i galliumnitrid, " sagde Samuel Graham, Eugene C. Gwaltney, Jr. skoleformand og professor i Georgia Tech's George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Ydeevnen giver os mulighed for at maksimere ydeevnen for galliumnitrid på diamantsystemer. Dette vil give ingeniører mulighed for at specialdesigne fremtidige halvledere til bedre multifunktionel drift."

Forskningen, udført i samarbejde med forskere fra Meisei University og Waseda University i Japan, blev rapporteret 19. februar i bladet ACS anvendte materialer og grænseflader . Arbejdet blev støttet af et multidisciplinært universitetsforskningsinitiativ (MURI)-projekt fra U.S. Office of Naval Research (ONR).

Til højeffekt elektroniske applikationer, der bruger materialer som GaN i miniaturiserede enheder, varmeafledning kan være en begrænsende faktor i effekttætheder pålagt enhederne. Ved at tilføje et lag diamant, som leder varme fem gange bedre end kobber, ingeniører har forsøgt at sprede og sprede den termiske energi.

Imidlertid, når diamantfilm dyrkes på GaN, de skal være podet med nanokrystallinske partikler omkring 30 nanometer i diameter, og dette lag af nanokrystallinsk diamant har lav termisk ledningsevne - hvilket tilføjer modstand mod varmestrømmen ind i bulk-diamantfilmen. Ud over, væksten sker ved høje temperaturer, som kan skabe spændingsfrembringende revner i de resulterende transistorer.

"I den nuværende vækstteknik, du når ikke rigtigt de høje varmeledningsegenskaber af det mikrokrystallinske diamantlag, før du er et par mikrometer væk fra grænsefladen, " sagde Graham. "Materialerne nær grænsefladen har bare ikke gode termiske egenskaber. Denne bindingsteknik giver os mulighed for at starte med en diamant med ultrahøj termisk ledningsevne lige ved grænsefladen."

Ved at skabe en tyndere grænseflade, den overfladeaktiverede bindingsteknik flytter den termiske spredning tættere på GaN-varmekilden.

"Vores bindingsteknik bringer enkeltkrystal diamant med høj termisk ledningsevne tættere på hot spots i GaN-enhederne, som har potentialet til at omforme den måde, disse enheder afkøles på, " sagde Zhe Cheng, en nylig Georgia Tech Ph.D. kandidat, som er avisens første forfatter. "Og fordi bindingen finder sted nær stuetemperatur, vi kan undgå termiske spændinger, der kan beskadige enhederne."

Denne reduktion i termisk stress kan være betydelig, går fra så meget som 900 megapascal (MPa) til mindre end 100 MPa med stuetemperaturteknikken. "Denne lavspændingsbinding gør det muligt at integrere tykke lag af diamant med GaN og giver en metode til diamantintegration med andre halvledermaterialer, " sagde Graham.

Ud over GaN og diamant, teknikken kan bruges med andre halvledere, såsom galliumoxid, og andre termiske ledere, såsom siliciumcarbid. Graham sagde, at teknikken har brede anvendelser til at binde elektroniske materialer, hvor tynde grænsefladelag er fordelagtige.

"Denne nye vej giver os muligheden for at blande og matche materialer, " sagde han. "Dette kan give os store elektriske egenskaber, men den klare fordel er en meget overlegen termisk grænseflade. Vi mener, at dette vil vise sig at være den bedste teknologi, der er tilgængelig indtil videre til at integrere materialer med brede båndgab med termisk ledende substrater."

I det fremtidige arbejde, forskerne planlægger at studere andre ionkilder og vurdere andre materialer, der kunne integreres ved hjælp af teknikken.

"Vi har evnen til at vælge behandlingsbetingelser såvel som substrat og halvledermateriale til at konstruere heterogene substrater til enheder med brede båndgab, " sagde Graham. "Det giver os mulighed for at vælge materialerne og integrere dem for at maksimere elektriske, termiske og mekaniske egenskaber."