En rumstemperaturbindningsteknik för att integrera material med stora bandgap som galliumnitrid (GaN) med termiskt ledande material som diamant kan öka kyleffekten på GaN-enheter och underlätta bättre prestanda genom högre effektnivåer, längre livslängd på enheten, förbättrad tillförlitlighet och minskade tillverkningskostnader. Tekniken kan ha tillämpningar för trådlösa sändare, radar, satellitutrustning och andra högeffekts- och högfrekventa elektroniska enheter.

Tekniken, kallas ytaktiverad bindning, använder en jonkälla i högvakuummiljö för att först rengöra ytorna på GaN och diamant, som aktiverar ytorna genom att skapa dinglande bindningar. Att införa små mängder kisel i jonstrålarna underlättar bildandet av starka atombindningar vid rumstemperatur, möjliggör direkt bindning av GaN och enkristalldiamanten som möjliggör tillverkning av transistorer med hög elektronmobilitet (HEMT).

Det resulterande gränsskiktet från GaN till enkristalldiamant är bara fyra nanometer tjockt, tillåter värmeavledning upp till två gånger effektivare än i de toppmoderna GaN-on-diamant HEMT:erna genom att eliminera den lågkvalitativa diamanten som blir över från nanokristallin diamanttillväxt. Diamond är för närvarande integrerad med GaN med kristallin tillväxtteknik som producerar ett tjockare gränssnittsskikt och lågkvalitativ nanokristallin diamant nära gränssnittet. Dessutom, den nya processen kan göras vid rumstemperatur med ytaktiverade bindningstekniker, minska den termiska spänningen som appliceras på enheterna.

"Denna teknik tillåter oss att placera material med hög värmeledningsförmåga mycket närmare de aktiva enhetsområdena i galliumnitrid, sa Samuel Graham, Eugene C. Gwaltney, Jr. skolordförande och professor i Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Prestandan tillåter oss att maximera prestanda för galliumnitrid på diamantsystem. Detta kommer att göra det möjligt för ingenjörer att skräddarsy framtida halvledare för bättre multifunktionell drift."

Forskningen, utförs i samarbete med forskare från Meisei University och Waseda University i Japan, rapporterades 19 februari i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt . Arbetet stöddes av ett multidisciplinärt universitetsforskningsinitiativ (MURI)-projekt från U.S. Office of Naval Research (ONR).

För elektroniska applikationer med hög effekt som använder material som GaN i miniatyriserade enheter, värmeavledning kan vara en begränsande faktor i effekttätheter som påläggs enheterna. Genom att lägga till ett lager av diamant, som leder värme fem gånger bättre än koppar, ingenjörer har försökt sprida och skingra den termiska energin.

Dock, när diamantfilmer odlas på GaN, de måste ympas med nanokristallina partiklar runt 30 nanometer i diameter, och detta lager av nanokristallin diamant har låg värmeledningsförmåga - vilket ger motstånd mot värmeflödet in i bulkdiamantfilmen. Dessutom, tillväxten sker vid höga temperaturer, vilket kan skapa spänningsalstrande sprickor i de resulterande transistorerna.

"I den för närvarande använda tillväxttekniken, du når inte riktigt de höga värmeledningsegenskaperna hos det mikrokristallina diamantskiktet förrän du är några mikrometer bort från gränssnittet, ", sa Graham. "Materialen nära gränssnittet har helt enkelt inte bra termiska egenskaper. Denna bindningsteknik gör att vi kan börja med diamant med ultrahög värmeledningsförmåga precis vid gränssnittet."

Genom att skapa ett tunnare gränssnitt, den ytaktiverade bindningstekniken flyttar värmeavledningen närmare GaN-värmekällan.

"Vår bindningsteknik för enkristalldiamant med hög värmeledningsförmåga närmare hot spots i GaN-enheterna, som har potential att omforma hur dessa enheter kyls, " sa Zhe Cheng, en nyligen genomförd Georgia Tech Ph.D. examen som är tidningens första författare. "Och eftersom bindningen sker nära rumstemperatur, vi kan undvika termiska påkänningar som kan skada enheterna."

Denna minskning av termisk stress kan vara betydande, från så mycket som 900 megapascal (MPa) till mindre än 100 MPa med rumstemperaturtekniken. "Denna lågspänningsbindning gör att tjocka lager av diamant kan integreras med GaN och ger en metod för diamantintegration med andra halvledarmaterial, " sa Graham.

Bortom GaN och diamant, tekniken kan användas med andra halvledare, som galliumoxid, och andra värmeledare, såsom kiselkarbid. Graham sa att tekniken har breda tillämpningar för att binda elektroniska material där tunna gränsskikt är fördelaktiga.

"Denna nya väg ger oss möjligheten att blanda och matcha material, ", sa han. "Detta kan ge oss fantastiska elektriska egenskaper, men den klara fördelen är ett mycket överlägset termiskt gränssnitt. Vi tror att detta kommer att visa sig vara den bästa tekniken som finns tillgänglig hittills för att integrera material med breda bandgap med termiskt ledande substrat."

I framtida arbete, forskarna planerar att studera andra jonkällor och utvärdera andra material som skulle kunna integreras med tekniken.

"Vi har förmågan att välja bearbetningsförhållanden såväl som substrat och halvledarmaterial för att konstruera heterogena substrat för enheter med stora bandgap, ", sa Graham. "Det gör att vi kan välja material och integrera dem för att maximera elektriska, termiska och mekaniska egenskaper."