Этот метод, называемый поверхностно-активируемым связыванием, использует источник ионов в среде высокого вакуума для первой очистки поверхностей GaN и алмаза, который активирует поверхности, создавая оборванные связи. Введение небольшого количества кремния в ионные пучки способствует формированию прочных атомных связей при комнатной температуре, что позволяет напрямую связывать GaN и монокристаллический алмаз, что позволяет изготавливать транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT).
Получающийся в результате интерфейсный слой от GaN к монокристаллическому алмазу имеет толщину всего четыре нанометра, что позволяет отводить тепло в два раза более эффективно, чем в современных ГЭМТ на основе GaN на алмазе, за счет устранения остатков низкокачественного алмаза. от роста нанокристаллического алмаза. В настоящее время алмаз интегрируется с GaN с использованием методов роста кристаллов, которые создают более толстый интерфейсный слой и нанокристаллический алмаз низкого качества вблизи границы раздела.
Кроме того, новый процесс может выполняться при комнатной температуре с использованием методов поверхностно-активируемого склеивания, что снижает тепловое напряжение, прикладываемое к устройствам.
«Этот метод позволяет нам размещать материалы с высокой теплопроводностью намного ближе к активным участкам устройства в нитриде галлия», – сказал Сэмюэл Грэхем, эксперт Eugene C. Гвалтни младший.
Заведующий школой и профессор Джорджа В. Школа машиностроения Вудраффа. «Производительность позволяет нам максимизировать производительность для нитрида галлия в алмазных системах. Это позволит инженерам разрабатывать будущие полупроводники для лучшей многофункциональной работы."
Об исследовании, проведенном в сотрудничестве с учеными из Университета Мейсей и Университета Васеда в Японии, было сообщено 19 февраля в журнале ACS Applied Materials and Interfaces. Работа поддержана проектом мультидисциплинарной университетской исследовательской инициативы (MURI) из U.S.
Управление военно-морских исследований (ONR).
Для мощных электронных приложений, использующих такие материалы, как GaN, в миниатюрных устройствах, рассеяние тепла может быть ограничивающим фактором в плотности мощности, налагаемой на устройства. Добавив слой алмаза, который проводит тепло в пять раз лучше, чем медь, инженеры попытались распределить и рассеять тепловую энергию.
Однако, когда алмазные пленки выращивают на GaN, они должны быть засеяны нанокристаллическими частицами диаметром около 30 нанометров, и этот слой нанокристаллического алмаза имеет низкую теплопроводность, что добавляет сопротивление потоку тепла в объемную алмазную пленку.
Кроме того, рост происходит при высоких температурах, что может привести к образованию трещин в полученных транзисторах.
«В применяемой в настоящее время технике выращивания вы действительно не достигнете свойств высокой теплопроводности микрокристаллического алмазного слоя, пока не окажетесь на расстоянии нескольких микрон от границы раздела», – сказал Грэм. "Материалы около границы раздела просто не обладают хорошими тепловыми свойствами. Этот метод связывания позволяет нам начать с алмаза со сверхвысокой теплопроводностью прямо на границе раздела."
Создавая более тонкую границу раздела, технология поверхностно-активируемого соединения перемещает тепловыделение ближе к источнику тепла на основе GaN.
«Наша технология соединения приближает монокристаллический алмаз с высокой теплопроводностью к горячим точкам в устройствах на основе GaN, что может изменить способ охлаждения этих устройств», – сказал Чжэ Ченг, недавний доктор технических наук Джорджии.D. выпускник, который является первым автором статьи. "А поскольку соединение происходит при температуре, близкой к комнатной, мы можем избежать термических нагрузок, которые могут повредить устройства."
Это снижение термического напряжения может быть значительным: от 900 мегапаскалей (МПа) до менее 100 МПа при использовании метода комнатной температуры. «Это соединение с низким напряжением позволяет интегрировать толстые слои алмаза с GaN и обеспечивает метод интеграции алмаза с другими полупроводниковыми материалами», – сказал Грэм.
Помимо GaN и алмаза, этот метод можно использовать с другими полупроводниками, такими как оксид галлия, и другими теплопроводниками, такими как карбид кремния.
Грэм сказал, что этот метод имеет широкое применение для склеивания электронных материалов, где предпочтительны тонкие межфазные слои.
«Этот новый путь дает нам возможность смешивать и подбирать материалы», – сказал он. «Это может обеспечить нам отличные электрические свойства, но явным преимуществом является превосходный тепловой интерфейс.
Мы уверены, что это лучшая технология, доступная на сегодняшний день для интеграции материалов с широкой запрещенной зоной и теплопроводными подложками."
В будущей работе исследователи планируют изучить другие источники ионов и оценить другие материалы, которые можно было бы объединить с помощью этого метода.
«У нас есть возможность выбирать условия обработки, а также подложку и полупроводниковый материал для создания гетерогенных подложек для устройств с широкой запрещенной зоной», – сказал Грэм. «Это позволяет нам выбирать материалы и интегрировать их, чтобы максимизировать электрические, термические и механические свойства."