La tecnología GaN sobre diamante abre una nueva era en la disipación de calor de los dispositivos de potencia.

La industria de la electrónica de consumo se encuentra en un rápido desarrollo, y los dispositivos electrónicos están entrando en la era de la alta frecuencia y la alta potencia. Los dispositivos de potencia basados en nitruro de galio (GaN) se han convertido en una opción popular para la próxima generación gracias a sus excelentes características, como la alta intensidad de campo de ruptura. Sin embargo, al funcionar a alta potencia, el calor interno es difícil de disipar y el efecto de autocalentamiento es significativo, lo que reduce el rendimiento y la fiabilidad. Las soluciones tradicionales de disipación de calor, como los sustratos de silicio o carburo de silicio, tienen una conductividad térmica limitada y son difíciles de cumplir con los requisitos de disipación de calor, lo que hace que la densidad de potencia de salida de los HEMT de GaN comerciales sea muy inferior al valor teórico. La industria necesita urgentemente soluciones innovadoras de disipación de calor.

La tecnología de GaN sobre diamante combina dispositivos de GaN con sustratos de diamante de alta conductividad térmica (2200 W/m/K) para mejorar la capacidad de disipación térmica de los chips y resolver el problema de la disipación térmica de los dispositivos de GaN. Sus métodos de integración incluyen la unión y el crecimiento epitaxial. Estudios han demostrado que la resistencia térmica de la interfaz puede ser de tan solo 3 m²K/GW. Esta tecnología tiene un gran potencial. Permite una conducción térmica más eficiente, reduce la temperatura de funcionamiento, aumenta la densidad de potencia, cumple con los requisitos de alta potencia e impulsa el desarrollo de nuevas tecnologías, como el crecimiento con patrones, lo que ofrece una nueva vía para optimizar la disipación térmica y mejorar el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos.

La resistencia de interfaz térmica (TBR) es un fenómeno que bloquea la transferencia de calor en la interfaz de los dispositivos electrónicos. Se debe principalmente a la discrepancia entre las vibraciones atómicas en la interfaz. Se ve afectada por factores como defectos, integridad y rugosidad de la interfaz. Los defectos pueden causar dispersión de fonones y aumentar la resistencia térmica. Reducir la resistencia de interfaz térmica es clave para mejorar la disipación térmica del GaN sobre diamante. Esto se puede lograr optimizando la tecnología de enlace y crecimiento epitaxial, como la tecnología de enlace activado por superficie. La selección de una capa dieléctrica adecuada (como SiNx) también puede reducir eficazmente la resistencia térmica, lo que resalta la importancia de la selección de la capa dieléctrica para la conducción térmica.

Actualmente existen cuatro tecnologías de disipación térmica basadas en diamante: la tecnología de disipación térmica de diamante policristalino y monocristalino, que aprovechan las características de ambos para mejorar la disipación térmica, respectivamente; la tecnología de columna de disipación térmica de diamante integrada para mejorar la disipación térmica local; y la tecnología de capa de pasivación de diamante, que ofrece funciones tanto de protección como de disipación térmica. La tecnología de GaN sobre diamante tiene un gran potencial, pero sus aplicaciones prácticas presentan desafíos, como la dificultad del procesamiento y la preparación del diamante, la gran diferencia en los coeficientes de expansión térmica entre el GaN y el diamante, que puede provocar fácilmente defectos en la interfaz, y las dificultades técnicas para el decapado de la capa epitaxial de alta calidad y el crecimiento del sustrato de diamante.

La resistencia térmica interfacial está estrechamente relacionada con la teoría del acoplamiento electrón-fonón, que se refiere a la interacción entre los electrones y las vibraciones reticulares. En el sistema GaN-diamante, tiene un impacto significativo en la transferencia de calor interfacial. No solo promueve el intercambio de energía entre electrones y redes, lo que afecta la transferencia de calor, sino que también aumenta la resistencia térmica interfacial al distorsionar la vibración reticular, lo que dificulta la transferencia de calor. Para calcular y medir con precisión la resistencia térmica interfacial, se proponen diversos métodos de cálculo, como el modelo de desajuste por reflexión difusa, y métodos de medición experimental, como el método de reflexión térmica en el dominio del tiempo, para brindar soporte teórico y optimizar el rendimiento de disipación térmica del dispositivo.

La tecnología de GaN sobre diamante ofrece amplias perspectivas en los campos de dispositivos de radiofrecuencia, potencia y microondas, y se espera que impulse un avance significativo en el rendimiento, la fiabilidad y la vida útil de los dispositivos de GaN. Además, podría extenderse al campo de los semiconductores de banda prohibida ultra ancha en el futuro. Sin embargo, su aplicación comercial a gran escala enfrenta desafíos técnicos y de ingeniería, como la optimización del proceso de unión y la resolución del desajuste de red. Las futuras investigaciones se centrarán en la reducción de la resistencia térmica de la interfaz, el desarrollo de tecnologías de encapsulado eficientes para la disipación del calor y la exploración de nuevas combinaciones de materiales. Esta tecnología es muy prometedora y está atrayendo la atención del público, y se espera que se convierta en un nuevo motor para el desarrollo de la industria de los semiconductores.