Výrazné zníženie tepelného odporu GaAs HEMT tranzistorov

Naši kolegovia a kolegyne z oddelenia III-V polovodičov ELÚ SAV, Slovenskej technickej univerzity v Bratislave a Wuhanskej univerzity v Číne dosiahli významný pokrok v oblasti tranzistorov s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) pripravených z polovodiča GaAs. Tieto súčiastky sú kľúčové najmä v aplikáciách vysokofrekvenčnej bezdrôtovej komunikácie v spotrebiteľských, obranných a vesmírnych aplikáciách a taktiež v technológii kvantového počítania, kde sa vo veľkej miere spolieha na použitie zosilňovačov na báze zlúčeninových polovodičov. Tie umožňujú vysokofrekvenčnú nízkošumovú prevádzku aj pri kryogénnych teplotách, nevyhnutnú pre verné zosilnenie slabých qubitových stavov. V tejto štúdii sme zdokumentovali zlepšenie vlastností tepelného transportu GaAs nanomembrán prenesených z pôvodného GaAs substrátu na cudzie substráty (zafír, Si a SiC) s rôznou tepelnou vodivosťou. Takéto nanomembrány tvoria základnú vrstvu štruktúry, z ktorej je neskôr vyrobený tranzistor. Pre oddelenie nanomembrán z pôvodného substrátu bola použitá technika tzv. ​​epitaxného oddelenia (ELO). Tieto na cudzom substráte vytvorili mechanickú väzbu pomocou van der Waalsových síl. Pre tepelnú charakterizáciu nanomembrán bola použitá nedeštruktívna optická metóda tzv. transientná termoreflektancia (TTR), ktorá bola skombinovaná s elektrotepelnou simuláciou kompletnej GaAs HEMT súčiastky pre overenie zlepšenia jej vlastností. Simulácia bola rozšírená tak, aby zahŕňala aj diamantový substrát. Táto fyzikálna simulácia ukázala významný pokles samoohrevu a tepelného odporu súčiastok (R_th) až na úrovni ~30% v prípade, že bol použitý SiC a diamantový substrát. Zároveň simulácie naznačujú, že optimalizácia rozhrania medzi GaAs a substrátom by mohla ešte viac znížiť operačnú teplotu súčiastok, v ideálnom prípade až o 29 – 41 %. Tieto výsledky potvrdzujú potenciál technológie ELO, keďže súčiastky pripravené na prenesených nanomembránach po ich vytvarované môžu poskytnúť dosiahnutie vyššieho výkonu pri udržaní všetkých ich operačných vlastností a bez rizika prehriatia. Výskum tiež zdôrazňuje ekonomický potenciál substrátov SiC, ktoré sú cenovo dostupnejšie aj rozmernejšie ako diamant, pričom stále poskytujú podobné výhody v oblasti zlepšeného odvodu tepla. Okrem toho, použitie technológie ELO umožňuje opätovné využitie GaAs substrátov, čím sa znižujú výrobné náklady a zvyšuje udržateľnosť výrobného procesu.

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaelm.4c00659
Authori: Filip Gucmann, Biwei Meng, Aleš Chvála, Róbert Kúdela, Chao Yuan, Milan Ťapajna, Martin Florovič, Fridrich Egyenes, Peter Eliáš, Fedor Hrubišák, Jaroslav Kováč Jr., Ján Fedor, Dagmar Gregušová