Ett team av ingenjörer från University of Illinois har funnit att modellen som för närvarande används för att förutsäga värmeförlust i ett vanligt halvledarmaterial inte är tillämpligt i alla situationer. Genom att testa de termiska egenskaperna hos galliumnitridhalvledare tillverkade med fyra populära metoder, teamet upptäckte att vissa tekniker producerar material som presterar bättre än andra. Denna nya förståelse kan hjälpa chiptillverkare att hitta sätt att bättre sprida värmen som leder till skador på enheten och minskad livslängd.

Kiselchips pressas till sin gräns för att möta kraven från dagens elektroniska enheter. Galliumnitrid, annat halvledarmaterial, är bättre lämpad för användning i högspännings- och högströmsapplikationer som de som behövs för 5G-telefoner, "sakernas internet"-enheter, robotik och autonoma fordon. Galliumnitridflis används redan, men det finns inga systematiska studier som undersöker de termiska egenskaperna hos de olika formerna av materialet, sa forskarna. Deras resultat publiceras i Journal of Applied Physics .

Galliumnitridflis framställs genom att galliumnitridånga avsätts på en yta där den kristalliseras till ett fast ämne, sa forskarna.

"Kompositionen och atomstrukturen på ytan som används för att odla kristallerna påverkar antalet defekter i slutprodukten, sade Can Bayram, en elektro- och datateknikprofessor och huvudförfattare till studien. "Till exempel, Kristaller som odlas på kiselytor producerar en halvledare med många defekter - vilket resulterar i lägre värmeledningsförmåga och hetare hotspots - eftersom atomstrukturerna hos kisel och galliumnitrid är mycket olika."

Teamet testade värmeledningsförmågan hos galliumnitrid som odlats med hjälp av de fyra mest tekniskt viktiga tillverkningsteknikerna:hydridångfasepitaxi, högt nitridtryck, ångavsättning på safir och ångavsättning på kisel.

För att ta reda på hur de olika tillverkningsteknikerna påverkar de termiska egenskaperna hos galliumnitrid, teamet mätte värmeledningsförmåga, defektdensitet och koncentrationen av föroreningar i varje material.

"Med vår nya data, vi kunde utveckla en modell som beskriver hur defekter påverkar de termiska egenskaperna hos galliumnitridhalvledare, " Bayram sa. "Denna modell ger ett sätt att uppskatta värmeledningsförmågan hos prover indirekt med hjälp av defektdata, vilket är lättare än att direkt mäta värmeledningsförmågan."

Teamet fann att kisel - den mest ekonomiska av alla ytor som används för att odla galliumnitrid - producerar kristaller med den högsta defektdensiteten av de fyra populära tillverkningsmetoderna. Avsättning på safir ger en bättre kristall med högre värmeledningsförmåga och lägre defektdensitet, men denna metod är inte alls lika ekonomisk. Hydridångepitaxin och teknikerna med högt nitridtryck ger överlägsna produkter när det gäller termiska egenskaper och defektdensitet, men processerna är mycket dyra, sa Bayram.

Galliumnitrid-baserade chips som använder kristaller odlade på kisel är förmodligen lämpliga för konsumentelektronikmarknaden, där kostnad och överkomlighet är nyckeln, han sa. Dock, enheter av militär kvalitet som kräver bättre tillförlitlighet kommer att dra nytta av chips tillverkade med hjälp av de dyrare processerna.

"Vi försöker skapa ett system med högre effektivitet så att vi kan få ut mer av våra enheter – kanske ett som kan hålla i 50 år istället för fem, ", sa Bayram. "Att förstå hur värme försvinner kommer att tillåta oss att omkonstruera system för att vara mer motståndskraftiga mot hotspots. Detta jobb, uppträdde helt vid U. of I., lägger grunden i termisk hantering av de tekniskt viktiga galliumnitrid-baserade halvledarenheterna."