Timanttia GaN-transistoreiden alustaan

Useimpien tietokonesirujen perustana olevalla piikiekolla on perustavanlaatuiset rajoitukset sen tehonkulutukselle, mikä rajoittaa langattomien viestintäjärjestelmien nopeutta ja energiatehokkuutta.

Lupaava ratkaisu on rakentaa tulevaisuuden langatonta elektroniikkaa galliumnitridistä valmistetuista transistoreista. Galliumnitridi pystyy käsittelemään vaativien langattomien sovellusten, kuten 6G:n ja satelliittiviestinnän, edellyttämää nopeutta ja energiaa.

Mutta jopa parhaissa transistoreissa erittäin suuri osa tästä energiasta muuttuu lämmöksi. Kun tutkijat pakkaavat enemmän galliumnitriditransistoreita pienemmälle alueelle piisirulla, paikalliset kuumat kohdat heikentävät luotettavuutta ja haittaavat suorituskykyä.

Nyt MIT:n ja muiden tahojen tiimi on murtanut tämän pullonkaulan upottamalla galliumnitriditransistoreita erittäin ohueen timanttikerrokseen. Timantti toimii lämmönlevittäjänä, joka normalisoi lämpötilan ja mahdollistaa transistoreiden huipputehon saavuttamisen luotettavuuden heikkenemättä.

Tutkijat käyttivät tätä tekniikkaa langattoman viestinnän tehovahvistimen valmistukseen, joka ylitti kaikki kirjallisuudessa löydetyt vastaavat vahvistimet. Vaikka valmistustekniikka on erittäin tarkka ja vaatii erilaisten materiaalijärjestelmien integrointia, se voidaan tehdä kaupallisiin sovelluksiin tarvittavassa mittakaavassa.

”Mikään yksittäinen materiaali ei voi tehdä kaikkea hyvin langattomassa laitteessa, joten nämä heterogeenisesti integroidut 3D-järjestelmät ovat tulleet jäädäkseen. Keskeinen haaste on ollut luotettavuus ja lämmönhallinta, ja olemme ehkä nyt ottaneet viimeisen askeleen, jotta nämä järjestelmät toimisivat skaalautuvasti ja suurina määrinä”, sanoo Pradyot Yadav, jatko-opiskelija MIT:ssä ja tätä edistysaskelta käsittelevän artikkelin pääkirjoittaja.

Jo aiemmissa töissään tutkijat ovat kasvattaneet ultraohuita, yksikiteisiä timanttikerroksia GaN-transistoreiden päälle lämmön hallitsemiseksi. Mutta tämä kasvuprosessi, jota ei ole helppo skaalata ylös ja aiheuttaa ei-toivottuja kapasitansseja.

Nyt tutkijat kehittivät täysin erilaisen lähestymistavan, joka vähentää kapasitiivisia vaikutuksia. He upottivat erittäin pieniä GaN-transistoreita ultraohueen välikappaleeseen eli substraattiin, joka on valmistettu yksikiteisestä timantista. Tämä timanttikerros levittää ja hallitsee lämpöä, joten GaN ja pii toimivat samassa lämpötilassa ilman ei-toivottuja kapasitansseja.

Tutkijoiden mukaan heidän tekniikkansa voisi sopia hyvin vaativiin sovelluksiin, kuten suuritehoisiin tutkajärjestelmiin, avaruusviestintään ja drooneihin. Sitä voitaisiin käyttää myös lämmön hallintaan järjestelmissä, jotka suorittavat energiamuunnoksia datakeskuksissa.

Aiheesta aiemmin:

Intialaiset määrittelevät GaN-tehomoduuleja uusiksi

Timantti kelpaa lämmönjohteeksi