Новая тепловая модель может помочь электронным устройствам работать дольше

Силиконовые чипы работают на пределе возможностей, чтобы удовлетворить потребности современных электронных устройств. Нитрид галлия, другой полупроводниковый материал, лучше подходит для использования в высоковольтных и сильноточных приложениях, таких как те, которые необходимы для телефонов 5G, устройств «Интернета вещей», робототехники и автономных транспортных средств.

По словам исследователей, чипы из нитрида галлия уже используются, но систематических исследований, посвященных термическим свойствам различных форм материала, не проводилось. Их выводы опубликованы в Журнале прикладной физики.
По словам исследователей, стружка из нитрида галлия производится путем осаждения паров нитрида галлия на поверхность, где он кристаллизуется в твердое тело.

«Состав и атомная структура поверхности, используемой для выращивания кристаллов, влияют на количество дефектов в конечном продукте», – сказал Кан Байрам, профессор электротехники и компьютерной инженерии и ведущий автор исследования. «Например, кристаллы, выращенные на поверхности кремния, производят полупроводник со множеством дефектов, что приводит к более низкой теплопроводности и более горячим точкам, потому что атомные структуры кремния и нитрида галлия очень разные.»
Команда проверила теплопроводность нитрида галлия, выращенного с использованием четырех наиболее технологически важных технологий изготовления: эпитаксия из паровой фазы гидрида, высокое давление нитрида, осаждение из паровой фазы на сапфир и осаждение из паровой фазы на кремнии.

Чтобы выяснить, как различные технологии производства влияют на термические свойства нитрида галлия, команда измерила теплопроводность, плотность дефектов и концентрацию примесей в каждом материале.
«Используя наши новые данные, мы смогли разработать модель, которая описывает, как дефекты влияют на тепловые свойства полупроводников из нитрида галлия», – сказал Байрам. «Эта модель предоставляет средства для косвенной оценки теплопроводности образцов с использованием данных о дефектах, что проще, чем прямое измерение теплопроводности.»
Команда обнаружила, что кремний – самая экономичная из всех поверхностей, используемых для выращивания нитрида галлия – дает кристаллы с самой высокой плотностью дефектов из четырех популярных методов производства.

Осаждение сапфира позволяет получить кристалл лучшего качества с более высокой теплопроводностью и меньшей плотностью дефектов, но этот метод не так экономичен. По словам Байрама, методы эпитаксии из гидридного пара и высокого давления нитрида позволяют получать продукты превосходного качества с точки зрения тепловых свойств и плотности дефектов, но эти процессы очень дороги.
По его словам, чипы на основе нитрида галлия, в которых используются кристаллы, выращенные на кремнии, вероятно, подходят для рынка бытовой электроники, где стоимость и доступность являются ключевыми.

Однако устройства военного уровня, требующие большей надежности, выиграют от чипов, изготовленных с использованием более дорогих процессов.
«Мы пытаемся создать систему с более высокой эффективностью, чтобы мы могли получить больше от наших устройств – возможно, такую, которая может прослужить 50 лет вместо пяти», – сказал Байрам. «Понимание того, как рассеивается тепло, позволит нам модернизировать системы, чтобы они были более устойчивыми к горячим точкам. Эта работа, полностью выполненная в U. я., закладывает основу для управления температурным режимом в технологически важных полупроводниковых устройствах на основе нитрида галлия.»