Ученые внедрили нитрид-галлиевые транзисторы в ультратонкий слой алмаза

Но даже в самых лучших транзисторах значительная часть этой энергии преобразуется в тепло. По мере того как исследователи размещают все больше нитрид-галлиевых транзисторов на все меньшем пространстве кремниевого чипа, локальные перегревы снижают надежность и ухудшают производительность.

Группа ученых из Массачусетского технологического института  преодолела это препятствие, поместив транзисторы из нитрида галлия в ультратонкий слой алмаза. Алмаз выступает в роли теплоотвода, который нормализует температуру и позволяет транзисторам работать с максимальной производительностью без снижения надежности.

Исследователи использовали этот метод для создания усилителя мощности для беспроводной связи, который превзошел все аналогичные усилители, описанные в научной литературе.

Несмотря на то, что технология их изготовления чрезвычайно сложна и требует интеграции различных систем материалов, ее можно применять в масштабах, необходимых для коммерческого использования.

«Ни один материал не может быть универсальным для беспроводных устройств, поэтому трехмерные гетерогенно интегрированные системы никуда не денутся. Ключевой проблемой оставалась надежность и управление температурным режимом, и, возможно, теперь мы сделали последний шаг, необходимый для того, чтобы эти системы можно было масштабировать и производить в больших объемах», — говорит Прадьот Ядав, аспирант Массачусетского технологического института, специализирующийся на электротехнике и компьютерных науках (EECS), и ведущий автор статьи об этом достижении.

Чтобы создавать более быструю и энергоэффективную электронику, исследователи изучают гетерогенно интегрированные системы, в которых несколько материалов объединяются в единый блок для использования полезных свойств каждого из них.

Процесс изготовления начинается с использования сверхбыстрого фемтосекундного лазера для вырезания из пластины подготовленных заготовок из нитрида галлия.

С помощью лазера исследователи просверливают в алмазной подложке отверстия точно заданного размера. Затем они аккуратно укладывают на дно отверстия пленку толщиной всего 20 микрон и кладут на нее штамп.

После установки матрицы ее нагревают и прессуют, чтобы соединить с пленкой и алмазной подложкой.

«Этот интерфейс играет ключевую роль. Если термопленка не будет расположена правильно, тепловой поток от алмаза к транзистору на основе нитрида галлия будет недостаточным. Поэтому поверхность должна быть очень гладкой и чистой», — говорит Ядав.

Затем исследователи накладывают дополнительные диэлектрические и металлические слои поверх нитрида галлия и алмаза, чтобы создать рабочую схему.

С помощью этой технологии они изготовили усилитель мощности, который является одним из ключевых элементов любой беспроводной системы. Усилители мощности преобразуют слабые электрические сигналы в более мощные, которые затем можно передавать на большие расстояния.

Разработанный ими усилитель обладает более высокой выходной мощностью, эффективностью и коэффициентом усиления, чем любое аналогичное устройство, известное исследователям, включая усилитель, который они разработали в ходе предыдущей работы.

Эти результаты показывают, что их технология может быть успешно применена в сложных устройствах, таких как мощные радары, системы космической связи и промышленные дроны.