Une technique de liaison à température ambiante pour intégrer des matériaux à large bande interdite tels que le nitrure de gallium (GaN) avec des matériaux thermoconducteurs tels que le diamant pourrait renforcer l'effet de refroidissement sur les dispositifs GaN et faciliter de meilleures performances grâce à des niveaux de puissance plus élevés, durée de vie de l'appareil plus longue, amélioration de la fiabilité et réduction des coûts de fabrication. La technique pourrait avoir des applications pour les émetteurs sans fil, radars, équipements satellitaires et autres appareils électroniques à haute puissance et haute fréquence.

La technique, appelé collage activé en surface, utilise une source d'ions dans un environnement à vide poussé pour nettoyer d'abord les surfaces du GaN et du diamant, qui active les surfaces en créant des liaisons pendantes. L'introduction de petites quantités de silicium dans les faisceaux d'ions facilite la formation de liaisons atomiques fortes à température ambiante, permettant la liaison directe du GaN et du diamant monocristallin qui permet la fabrication de transistors à haute mobilité électronique (HEMT).

La couche d'interface résultante du GaN au diamant monocristallin n'a que quatre nanomètres d'épaisseur, permettant une dissipation de la chaleur jusqu'à deux fois plus efficace que dans les HEMT GaN sur diamant de pointe en éliminant le diamant de mauvaise qualité laissé par la croissance du diamant nanocristallin. Le diamant est actuellement intégré au GaN à l'aide de techniques de croissance cristalline qui produisent une couche d'interface plus épaisse et un diamant nanocristallin de faible qualité près de l'interface. En outre, le nouveau procédé peut être réalisé à température ambiante en utilisant des techniques de collage activé en surface, réduire la contrainte thermique appliquée aux appareils.

"Cette technique nous permet de placer des matériaux à haute conductivité thermique beaucoup plus près des régions actives du dispositif dans le nitrure de gallium, " a déclaré Samuel Graham, Eugène C. Gwaltney, Jr. School Chair et professeur à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. « Les performances nous permettent de maximiser les performances du nitrure de gallium sur les systèmes diamant. Cela permettra aux ingénieurs de concevoir sur mesure les futurs semi-conducteurs pour un meilleur fonctionnement multifonctionnel.

La recherche, menée en collaboration avec des scientifiques de l'Université Meisei et de l'Université Waseda au Japon, a été rapporté le 19 février dans le journal Matériaux et interfaces appliqués ACS . Le travail a été soutenu par un projet d'initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI) de l'Office of Naval Research (ONR) des États-Unis.

Pour les applications électroniques haute puissance utilisant des matériaux tels que le GaN dans des dispositifs miniaturisés, la dissipation thermique peut être un facteur limitant des densités de puissance imposées aux appareils. En ajoutant une couche de diamant, qui conduit la chaleur cinq fois mieux que le cuivre, les ingénieurs ont essayé de diffuser et de dissiper l'énergie thermique.

Cependant, lorsque des films de diamant sont cultivés sur GaN, ils doivent être ensemencés de particules nanocristallines d'environ 30 nanomètres de diamètre, et cette couche de diamant nanocristallin a une faible conductivité thermique, ce qui ajoute de la résistance au flux de chaleur dans le film de diamant en vrac. En outre, la croissance a lieu à des températures élevées, ce qui peut créer des fissures produisant des contraintes dans les transistors résultants.

« Dans la technique de croissance actuellement utilisée, vous n'atteignez pas vraiment les propriétés de conductivité thermique élevées de la couche de diamant microcristallin tant que vous n'êtes pas à quelques microns de l'interface, " Graham a déclaré. "Les matériaux proches de l'interface n'ont tout simplement pas de bonnes propriétés thermiques. Cette technique de collage nous permet de commencer avec un diamant à conductivité thermique ultra-élevée juste à l'interface."

En créant une interface plus fine, la technique de liaison activée en surface rapproche la dissipation thermique de la source de chaleur GaN.

"Notre technique de collage rapproche le diamant monocristallin à haute conductivité thermique des points chauds des dispositifs GaN, qui a le potentiel de remodeler la façon dont ces appareils sont refroidis, " a déclaré Zhe Cheng, un récent doctorat de Georgia Tech. diplômé qui est le premier auteur de l'article. "Et parce que le collage a lieu près de la température ambiante, nous pouvons éviter les contraintes thermiques qui peuvent endommager les appareils."

Cette réduction des contraintes thermiques peut être significative, allant de 900 mégapascals (MPa) à moins de 100 MPa avec la technique à température ambiante. "Cette liaison à faible contrainte permet d'intégrer des couches épaisses de diamant au GaN et fournit une méthode d'intégration du diamant avec d'autres matériaux semi-conducteurs, " dit Graham.

Au-delà du GaN et du diamant, la technique peut être utilisée avec d'autres semi-conducteurs, comme l'oxyde de gallium, et autres conducteurs thermiques, comme le carbure de silicium. Graham a déclaré que la technique a de larges applications pour lier des matériaux électroniques où de fines couches interfaciales sont avantageuses.

"Cette nouvelle voie nous donne la possibilité de mélanger et assortir les matériaux, " a-t-il dit. " Cela peut nous fournir de grandes propriétés électriques, mais l'avantage évident est une interface thermique largement supérieure. Nous pensons que cela s'avérera être la meilleure technologie disponible à ce jour pour intégrer des matériaux à large bande interdite avec des substrats thermoconducteurs. »

Dans les travaux futurs, les chercheurs prévoient d'étudier d'autres sources d'ions et d'évaluer d'autres matériaux qui pourraient être intégrés à l'aide de la technique.

« Nous avons la possibilité de choisir les conditions de traitement ainsi que le substrat et le matériau semi-conducteur pour concevoir des substrats hétérogènes pour les dispositifs à large bande interdite, " a déclaré Graham. " Cela nous permet de choisir les matériaux et de les intégrer pour maximiser l'électricité, propriétés thermiques et mécaniques."