I dispositivi RF GaN ad alta potenza affrontano una limitazione fondamentale che non può essere risolta solo dalla progettazione elettrica: il calore.

I transistor a mobilità elettronica elevata al nitruro di gallio, o GaN HEMT, possono operare ad alta tensione, alta frequenza e alta densità di potenza. Questi vantaggi li rendono importanti per applicazioni quali radar, comunicazioni satellitari, guerra elettronica, infrastrutture 5G/6G e sistemi a microonde ad alta potenza.

Tuttavia, all'aumentare della densità di potenza RF, il calore generato vicino al canale del transistor diventa sempre più difficile da rimuovere.

Anche quando il materiale GaN stesso mantiene prestazioni elettriche elevate, una temperatura di giunzione eccessiva può ridurre la potenza di uscita, degradare l'efficienza e accorciare la durata del dispositivo.

È per questo che il diamante ha attirato crescente attenzione come piattaforma termica per il GaN.

Con una conducibilità termica superiore a 2.000 W/m·K per materiali diamantati di alta qualità, il diamante offre una capacità di diffusione del calore significativamente maggiore rispetto ai substrati semiconduttori convenzionali. La ricerca recente continua a identificare l'integrazione del diamante come uno degli approcci più promettenti per il raffreddamento vicino alla giunzione dei GaN HEMT ad alta potenza.

Ma il semplice posizionamento del GaN sul diamante non crea automaticamente una soluzione termica ideale.

Le prestazioni effettive dipendono fortemente da:

• Resistenza al confine termico GaN-diamante
• Materiale dello strato di legame
• Spessore dello strato di legame
• Spessore del diamante
• Qualità del diamante
• Rugosità dell'interfaccia
• Spessore del GaN
• Geometria del dispositivo
• Progettazione dell'incapsulamento e del dissipatore di calore

Per gli ingegneri che selezionanowafer GaN su diamante, l'interfaccia può a volte essere importante quanto il diamante stesso.

Perché i dispositivi RF GaN ad alta potenza necessitano di una migliore gestione termica

Un GaN HEMT genera gran parte del suo calore in una regione molto piccola vicino al gate sul lato del drain.

Ciò crea un flusso di calore locale estremamente elevato.

Il problema è quindi diverso dal semplice raffreddamento di un'intera scheda di circuito.

Il calore deve prima allontanarsi dal canale GaN attivo, attraversare la struttura semiconduttrice e gli strati interfacciali, e poi diffondersi nel substrato e nell'incapsulamento.

Un percorso termico semplificato può essere rappresentato come:

Canale GaN HEMT
↓
Strato epitassiale di GaN
↓
Interfaccia GaN/Diamante
↓
Strato di diffusione del calore in diamante
↓
Incapsulamento
↓
Dissipatore di calore

Ogni strato aggiunge resistenza termica.

Se uno qualsiasi degli strati ha una scarsa conducibilità termica o un'elevata resistenza interfacciale, il beneficio del substrato diamantato può essere ridotto in modo sostanziale.

È per questo che i ricercatori si concentrano sempre più sullagestione termica vicino alla giunzionepiuttosto che solo sul miglioramento del dissipatore di calore esterno.

Il precedente programma Near Junction Thermal Transport della DARPA mirava specificamente alla regione entro circa 100 µm dalle giunzioni elettroniche ad alta potenza, incluso l'uso di substrati diamantati e la rimozione di strati di transizione a bassa conducibilità termica. Il suo attuale programma THREADS continua ad affrontare le barriere termiche che limitano l'output di potenza RF.

Cos'è un wafer GaN su diamante?

Un wafer GaN su diamante è una struttura semiconduttrice eterogenea in cui un dispositivo o uno strato epitassiale di GaN è integrato termicamente con il diamante.

La struttura può assumere diverse forme.

Una struttura legata semplificata potrebbe essere:

Strato del dispositivo GaN
↓
Strato di legame/intermedio ultrasottile
↓
Substrato diamantato

Un altro approccio può utilizzare:

Struttura HEMT AlGaN/GaN
↓
Buffer GaN
↓
Strato di nucleazione/interfacciale
↓
Diamante CVD

Il diamante può anche essere aggiunto dal lato superiore di un dispositivo GaN finito o parzialmente fabbricato per creare un diffusore di calore vicino al canale.

Queste diverse strutture non dovrebbero essere trattate come identiche.

Le loro prestazioni termiche dipendono fortemente da dove si trova il diamante rispetto al canale che genera calore.

Perché il diamante è attraente per il GaN RF

Il diamante di alta qualità offre diverse caratteristiche interessanti per la gestione termica:

• Conducibilità termica estremamente elevata
• Elevata resistività elettrica
• Elevata rigidità dielettrica
• Eccellente durezza meccanica
• Buona stabilità chimica
• Forte capacità di diffusione del calore

Per i dispositivi RF ad alta potenza, la conducibilità termica è l'attrazione principale.

A confronto, i substrati comunemente usati forniscono una conducibilità termica di massa significativamente inferiore.

Tuttavia, la conducibilità termica del materiale di massa è solo una parte della storia.

Un GaN HEMT non sperimenta direttamente la conducibilità termica teorica di massa del diamante.

Il calore deve prima attraversare l'interfaccia GaN-diamante.

Ciò rende la resistenza al confine termico una delle specifiche chiave della tecnologia GaN su diamante.

Cos'è la resistenza al confine termico?

La resistenza al confine termico, comunemente abbreviata come TBR, descrive la resistenza al flusso di calore attraverso l'interfaccia tra due materiali diversi.

Per GaN su diamante, può essere scritta concettualmente come:

GaN
→ interfaccia
→ Diamante

Anche se entrambi i materiali conducono calore efficacemente, i fononi che trasportano energia termica potrebbero non trasferirsi efficientemente attraverso l'interfaccia.

Ciò accade perché GaN e diamante hanno differenze molto diverse in termini di:

• Strutture cristalline
• Spettri fononici
• Caratteristiche di legame
• Proprietà acustiche

Strati di legame aggiuntivi possono aumentare ulteriormente la complessità.

La TBR è comunemente espressa in:

m²·K/GW

Un valore inferiore indica generalmente un trasferimento di calore più efficiente attraverso l'interfaccia.

Perché la TBR è così importante

Considera due strutture GaN su diamante che utilizzano esattamente lo stesso substrato diamantato.

La struttura A ha un'interfaccia sottile e ben controllata.

La struttura B contiene uno strato di legame amorfo più spesso con scarsa conducibilità termica.

Anche se il diamante è identico, la struttura A può rimuovere il calore dal canale GaN in modo considerevolmente più efficiente.

È per questo che può essere fuorviante specificare solo:

“Conducibilità termica del diamante >2000 W/m·K.”

Per la progettazione termica a livello di dispositivo, gli acquirenti dovrebbero anche considerare:

• Materiale dell'interfaccia
• Spessore dell'interfaccia
• TBR o TBC
• Vuoti di legame
• Rugosità superficiale

Quanto bassa può diventare la TBR del GaN su diamante?

Questa rimane un'area di ricerca attiva.

Uno studio del 2026 ha riportato strutture GaN su diamante prodotte utilizzando un processo di ricostruzione superficiale in situ combinato con il legame attivato superficialmente.

I ricercatori hanno ridotto la rugosità superficiale RMS del diamante a meno di 0,5 nm e hanno utilizzato un interstrato di silicio di circa 8 nm.

La struttura risultante ha raggiunto una TBR riportata di circa 7,7 ± 0,6 m²·K/GW.

Questo è significativo perché dimostra che l'ingegneria dell'interfaccia può influenzare drasticamente le prestazioni termiche delle strutture GaN su diamante.

Illustra anche un principio importante:

Un wafer GaN su diamante ad alte prestazioni richiede sia un buon substrato diamantato che una buona interfaccia GaN-diamante.

Metodi di legame per GaN su diamante

Esistono diversi approcci per integrare il GaN con il diamante.

Ognuno ha vantaggi e sfide tecniche.

1. Legame attivato superficialmente

Il legame attivato superficialmente, o SAB, può unire due materiali a temperatura ambiente o vicina ad essa dopo l'attivazione superficiale.

Può essere utilizzato un sottile strato intermedio.

I vantaggi possono includere:

• Bassa temperatura di legame
• Ridotto stress termico
• Compatibilità con materiali eterogenei
• Interfacce di legame sottili
• Potenzialmente bassa TBR

Il legame a temperatura ambiente è particolarmente attraente perché GaN e diamante hanno comportamenti di espansione termica diversi.

Il legame ad alta temperatura può introdurre stress aggiuntivo durante il raffreddamento.

Lavori recenti che utilizzano SAB modificato hanno anche studiato interstrati di AlN e silicio per strutture GaN/Diamante N-polari.

Uno studio del 2026 ha riportato circa31 m²·K/GW TBRutilizzando un'interfaccia contenente AlN e una perdita RF misurata di circa0,32 dB/mm a 40 GHz, dimostrando che l'interfaccia di legame influisce sia sulle proprietà termiche che RF.

2. Legame diretto

Il legame diretto tenta di minimizzare o eliminare gli adesivi convenzionali.

L'obiettivo principale è accorciare il percorso termico tra GaN e diamante.

I vantaggi potenziali includono:

• Ridotto spessore dell'interfaccia
• Minore resistenza termica
• Nessun adesivo organico spesso
• Migliore stabilità ad alta temperatura

Tuttavia, il legame diretto richiede normalmente una preparazione superficiale estremamente buona.

I parametri importanti includono:

• Rugosità superficiale
• Planarità
• Pulizia
• Controllo delle particelle
• Chimica superficiale

Anche piccoli vuoti possono ridurre sia la resistenza di legame che le prestazioni termiche.

3. Legame Van der Waals

È stato studiato anche il legame diretto Van der Waals per l'integrazione GaN/Diamante.

Un vantaggio è evitare un interstrato spesso a bassa conducibilità termica.

Tuttavia, ottenere un contatto affidabile su una vasta area rimane difficile perché le superfici dei wafer devono essere eccezionalmente lisce e pulite.

La ricerca che confronta l'integrazione GaN/Diamante diretta e assistita da interstrato mostra perché la resistenza interfacciale totale, non semplicemente l'esistenza di uno strato di legame, deve essere valutata.

4. Crescita del diamante su GaN

Un'altra strategia è rimuovere il substrato originale e far crescere il diamante relativamente vicino allo strato del dispositivo GaN.

Un flusso semplificato può includere:

Crescita epitassiale di GaN
↓
Legame temporaneo su supporto
↓
Rimozione del substrato originale
↓
Preparazione del retro del GaN
↓
Formazione dello strato di nucleazione/interstrato
↓
Crescita del diamante CVD

Questo può posizionare il diamante molto vicino al dispositivo attivo.

Tuttavia, le condizioni CVD del diamante possono essere aggressive.

La superficie del GaN deve essere protetta da:

• Danni da plasma
• Esposizione all'idrogeno
• Alta temperatura
• Stress meccanico

Può quindi essere necessario uno strato di nucleazione o dielettrico appropriato.

La sfida è che questo strato protettivo può esso stesso aumentare la resistenza al confine termico.

Il compromesso dello strato di legame

Uno strato di legame ideale dovrebbe fornire:

• Forte adesione
• Bassa resistenza termica
• Bassa perdita RF
• Spessore minimo
• Elevata stabilità termica
• Basso stress meccanico

Purtroppo, questi requisiti possono essere in conflitto.

Uno strato di legame più spesso può migliorare l'affidabilità meccanica ma aumentare la resistenza termica.

Uno strato più sottile può migliorare il flusso di calore ma richiedere una preparazione superficiale molto migliore.

I potenziali materiali interstrato includono:

• Silicio
• AlN
• SiN
• SiO₂
• Altri strati dielettrici o amorfi

L'interstrato deve quindi essere ottimizzato come parte dell'architettura completa del dispositivo.

Spessore del diamante: più spesso è sempre meglio?

Non necessariamente.

Aumentare lo spessore del diamante può migliorare la diffusione laterale del calore, specialmente quando la sorgente di calore è altamente localizzata.

Tuttavia, il miglioramento termico non aumenta indefinitamente con lo spessore.

Una volta che lo strato di diamante è sufficientemente spesso da diffondere efficacemente il calore, altre resistenze termiche possono diventare dominanti.

Queste possono includere:

• Resistenza dello strato di GaN
• TBR GaN/Diamante
• Attacco dielettrico
• Incapsulamento
• Materiale interfacciale termico
• Dissipatore di calore

Ciò significa che raddoppiare lo spessore del diamante non riduce necessariamente la temperatura di giunzione del dispositivo della metà.

Sottili strati di diamante

Il sottile diamante può offrire:

• Tempo di fabbricazione più breve
• Costo del materiale inferiore
• Integrazione più facile
• Minore stress meccanico

Ma se il film è troppo sottile, la diffusione laterale del calore può essere limitata.

Spessi strati di diamante

Il diamante più spesso può fornire:

• Migliore diffusione del calore
• Maggiore supporto meccanico
• Migliore manipolazione dopo la rimozione del substrato

Ma gli svantaggi possono includere:

• Costo di crescita CVD più elevato
• Tempo di elaborazione più lungo
• Aumento dello stress
• Elaborazione del wafer più difficile

Lo spessore ottimale deve quindi essere calcolato in base alla densità di flusso di calore del dispositivo e all'architettura termica totale dell'incapsulamento.

Non esiste uno “spessore ottimale del diamante” universale per ogni dispositivo RF GaN.

Anche la qualità del diamante è importante

Non tutti i film diamantati offrono le stesse prestazioni termiche.

La conducibilità termica dipende da fattori quali:

• Dimensione dei grani
• Confini dei grani
• Difetti
• Impurità
• Spessore del film
• Metodo di crescita
• Qualità cristallina

Il diamante monocristallino offre generalmente una conducibilità termica estremamente elevata.

Il diamante CVD policristallino può anche fornire un'eccellente diffusione del calore, ma la sua conducibilità termica effettiva dipende fortemente dalla microstruttura.

Le regioni nanocristalline vicino all'interfaccia di nucleazione possono presentare una conducibilità termica inferiore rispetto al materiale a grani più grandi più lontano dall'interfaccia.

Per questo motivo, specificare semplicemente “diamante CVD” non è sufficiente per la progettazione RF ad alte prestazioni.

GaN su diamante vs GaN su SiC

Il GaN su SiC rimane una delle piattaforme più importanti per i dispositivi RF ad alta potenza.

Il SiC fornisce:

• Buona conducibilità termica
• Epitassia GaN consolidata
• Elevata stabilità meccanica
• Esperienza matura nella produzione RF

Il GaN su diamante mira a spingere ulteriormente le prestazioni termiche.

Il principale vantaggio potenziale è una maggiore diffusione del calore vicino al canale GaN.

Tuttavia, il GaN su diamante introduce una maggiore complessità di integrazione.

GaN su SiC

Vantaggi:

• Tecnologia matura
• Catena di approvvigionamento di wafer consolidata
• Elaborazione di dispositivi RF comprovata
• Buone prestazioni termiche

Sfide:

• Conducibilità termica inferiore rispetto al diamante di alta qualità
• La temperatura di giunzione può ancora limitare la densità di potenza estrema

GaN su diamante

Vantaggi:

• Eccezionale potenziale di diffusione del calore
• Minore temperatura del dispositivo ad alto flusso di calore
• Potenziale per una maggiore densità di potenza RF
• Particolarmente attraente per il raffreddamento vicino alla giunzione

Sfide:

• Complessità del legame
• Controllo TBR
• Costo di elaborazione del diamante
• Integrazione su scala wafer
• Stress termico
• Resa

Il GaN su diamante non dovrebbe quindi essere visto semplicemente come un sostituto diretto per ogni dispositivo GaN su SiC.

Il suo valore più forte si manifesterà probabilmente dove le limitazioni termiche giustificano la maggiore complessità di integrazione.

Perché la temperatura di giunzione è importante

La riduzione della temperatura di giunzione può influenzare diverse caratteristiche del dispositivo.

I potenziali benefici includono:

• Maggiore potenza di uscita RF
• Migliore efficienza di potenza aggiunta
• Riduzione del degrado delle prestazioni
• Migliore affidabilità
• Maggiore densità di potenza ammissibile

L'auto-riscaldamento può alterare il trasporto degli elettroni e il comportamento elettrico all'interno del GaN HEMT.

All'aumentare della temperatura del canale, le prestazioni del dispositivo possono deteriorarsi anche prima che si verifichi un guasto catastrofico.

Una revisione del 2026 sui GaN HEMT con cappuccio di diamante evidenzia l'auto-riscaldamento come una limitazione importante nell'operatività RF ad alta potenza e identifica l'integrazione del diamante come una promettente soluzione termica vicino alla giunzione.

Raffreddamento del diamante dal lato superiore

Il GaN su diamante non richiede sempre la sostituzione del substrato originale.

Un'altra strategia emergente è la deposizione di diamante sopra il GaN HEMT.

La struttura può assomigliare a:

Diffusore di calore in diamante
↓
Strato dielettrico/interfacciale
↓
Barriera AlGaN
↓
Canale GaN
↓
Substrato originale

Ciò consente al calore di fuoriuscire da entrambi i lati del dispositivo.

La ricerca sull'integrazione del diamante dal lato superiore ha dimostrato che lo strato dielettrico intermedio contribuisce in modo significativo alla resistenza al confine termico totale.

Uno studio del 2025 che utilizza un diffusore di calore in diamante policristallino su AlGaN/GaN su SiC ha quindi valutato l'influenza combinata dell'interfaccia e della barriera AlGaN piuttosto che considerare solo la conducibilità del diamante.

I futuri dispositivi RF GaN ad alta potenza potrebbero potenzialmente utilizzare entrambi:

• Raffreddamento del substrato diamantato
• Diffusione del calore del diamante dal lato superiore

Ciò crea un'architettura di gestione termica più tridimensionale.

Sfide di produzione su scala wafer

Il passaggio del GaN su diamante da piccoli campioni di ricerca a wafer commerciali introduce ulteriori difficoltà.

Planarità superficiale

Il legame richiede un'ottima planarità del wafer.

Le differenze di altezza superficiale locale possono produrre:

• Vuoti
• Legame debole
• Spessore interfacciale non uniforme

Rugosità superficiale

Una rugosità sub-nanometrica può essere richiesta per alcuni approcci di legame avanzati.

Lo studio del 2026 sulla ricostruzione superficiale ha ridotto la rugosità RMS del diamante a meno di 0,5 nm prima del legame a temperatura ambiente.

Particelle

Una singola particella può impedire il contatto locale e creare un vuoto di legame.

Il controllo delle particelle diventa quindi sempre più difficile all'aumentare del diametro del wafer.

Arco del wafer

GaN, materiali di legame e diamante hanno proprietà meccaniche e termiche diverse.

Lo stress residuo può portare a:

• Arco
• Deformazione
• Crepe
• Delaminazione

Resa di legame

Un buon campione di laboratorio non si traduce automaticamente nella produzione su scala wafer.

La produzione commerciale richiede un legame coerente su quasi tutta l'area utilizzabile del wafer.

Tipiche applicazioni RF GaN su diamante

Il GaN su diamante è particolarmente attraente per applicazioni con densità di potenza RF estremamente elevate.

Esempi includono:

Radar

I trasmettitori radar ad alta potenza richiedono amplificatori RF in grado di mantenere le prestazioni sotto severi carichi termici.

Guerra elettronica

I sistemi di guerra elettronica spesso richiedono alta potenza RF in uscita combinata con dimensioni compatte del sistema.

Comunicazioni satellitari

La gestione termica è particolarmente importante nei sistemi spaziali dove gli approcci di raffreddamento convenzionali sono limitati.

Sistemi a microonde ad alta potenza

La diffusione del calore in diamante può consentire ai dispositivi GaN di operare a maggiore densità di potenza controllando la temperatura di giunzione.

Future infrastrutture 5G e 6G

I sistemi RF a frequenza più elevata potrebbero beneficiare di una gestione termica avanzata poiché le dimensioni dei dispositivi diminuiscono e il flusso di calore locale aumenta.

Cosa dovrebbero specificare gli acquirenti per un wafer GaN su diamante?

Una RFQ utile dovrebbe includere molto più del diametro del wafer.

Diametro del wafer

Specificare:

• 2 pollici
• 3 pollici
• 4 pollici
• 6 pollici
• Dimensioni personalizzate

La disponibilità può dipendere fortemente dal metodo di integrazione.

Struttura GaN

Specificare se il materiale richiesto è:

• Strato di GaN
• Struttura HEMT AlGaN/GaN
• GaN N-polare
• GaN Ga-polare
• Struttura epi personalizzata

Spessore del GaN

Fornire:

• Spessore dello strato del dispositivo
• Spessore del buffer
• Spessore totale del GaN trasferito

Tipo di diamante

Specificare:

• Diamante monocristallino
• Diamante CVD policristallino
• Diamante nanocristallino
• Film di diamante su supporto

Spessore del diamante

Specificare lo spessore richiesto o le prestazioni termiche target.

Non selezionare lo spessore basandosi solo sull'assunto che un diamante più spesso sia sempre migliore.

Metodo di legame

Discutere se la struttura utilizza:

• Legame diretto
• Legame attivato superficialmente
• SAB modificato
• Crescita del diamante CVD
• Altri metodi di integrazione eterogenea

Strato intermedio

Specificare:

• Materiale
• Spessore
• Resistenza termica massima ammissibile

Per applicazioni RF ad alta potenza, anche gli strati interfacciali su scala nanometrica possono influenzare il percorso termico totale.

TBR

Dove le prestazioni termiche sono critiche, gli acquirenti dovrebbero considerare di definire una TBR target.

Dovrebbe essere specificato anche il metodo di test.

I metodi comuni di caratterizzazione termica includono:

• TDTR
• TTR
• Termometria Raman
• Tecniche termoriflettenti

Qualità superficiale

Specificare:

• Rugosità RMS
• Requisiti di graffio
• Requisiti di particelle
• Limiti dei vuoti di legame

Geometria

I parametri importanti includono:

• TTV
• Arco
• Deformazione
• Tolleranza di spessore

Requisiti RF

A seconda del progetto, i requisiti possono includere anche:

• Perdita di inserzione RF
• Proprietà dielettriche
• Intervallo di frequenza
• Mobilità del portatore
• Resistenza di foglio

Esempio di struttura RFQ

Una richiesta di sviluppo GaN su diamante potrebbe includere informazioni quali:

Diametro wafer: 100 mm

Struttura GaN: HEMT AlGaN/GaN

Spessore GaN: personalizzato

Diamante: diamante CVD

Spessore diamante: secondo progetto termico

Metodo di legame: legame diretto o attivato superficialmente a temperatura ambiente

Interstrato di legame: struttura ultrasottile a base di Si o AlN

Interfaccia: requisito di bassa TBR

Superficie: grado dispositivo

Geometria: TTV, arco e deformazione controllati

Applicazione: amplificatore RF ad alta potenza

Intervallo di frequenza: specificato dal cliente

Fornire l'applicazione del dispositivo target è particolarmente utile.

Una struttura GaN su diamante per un amplificatore a banda X ad alta potenza potrebbe non utilizzare la stessa struttura ottimale di una progettata per dispositivi a onde millimetriche.

La simulazione termica dovrebbe precedere la progettazione finale del wafer

Poiché le prestazioni del GaN su diamante dipendono da molti parametri interconnessi, la simulazione termica è molto preziosa prima di finalizzare la struttura del materiale.

Una simulazione realistica dovrebbe considerare:

• Geometria del gate
• Dimensioni della sorgente di calore
• Spessore del GaN
• Conducibilità termica del GaN
• TBR interfacciale
• Spessore del diamante
• Conducibilità termica del diamante
• Passo del dispositivo
• Resistenza termica dell'incapsulamento
• Temperatura del dissipatore di calore

Un errore comune è simulare il diamante utilizzando solo la sua conducibilità termica di massa, assumendo un'interfaccia perfetta.

Ciò può sovrastimare significativamente le prestazioni di raffreddamento.

L'interfaccia GaN/Diamante dovrebbe essere inclusa esplicitamente.

Direzione della ricerca attuale nel 2026

L'industria si sta sempre più allontanando dal considerare la gestione termica solo come un problema a livello di incapsulamento.

Nel giugno 2026, la DARPA ha descritto il suo programma THREADS come mirato a materiali, architetture di dispositivi e approcci di gestione termica che possono rimuovere il calore in modo più efficiente dall'elettronica RF e consentire una maggiore potenza di uscita senza aumenti proporzionali nelle dimensioni e nella complessità del sistema.

A livello di materiali, la recente ricerca GaN/Diamante si sta concentrando pesantemente su:

• TBR inferiore
• Legame eterogeneo a temperatura ambiente
• Interstrati ultrasottili
• Migliore preparazione superficiale del diamante
• Integrazione GaN N-polare
• Minore perdita RF
• Raffreddamento del diamante dal lato superiore

Il rapporto del 2026 di circa 7,7 m²·K/GW TBR utilizzando uno strato di legame Si ultrasottile è particolarmente rilevante perché dimostra come l'ingegneria superficiale e la tecnologia di legame possano migliorare direttamente il trasporto termico.

Questi sviluppi suggeriscono che il prossimo miglioramento significativo nelle prestazioni RF GaN potrebbe derivare non solo dallo scaling dei transistor o da un'epitassia GaN di qualità superiore, ma anche dall'ingegnerizzazione del percorso termico immediatamente sotto e sopra il canale attivo.

Conclusione

I wafer GaN su diamante offrono una delle piattaforme materiali più promettenti per superare le limitazioni termiche dei dispositivi RF GaN ad alta potenza.

Il diamante fornisce un'eccezionale conducibilità termica, ma la sola conducibilità termica del diamante non determina le prestazioni di raffreddamento del dispositivo.

Per una struttura pratica GaN su diamante, gli ingegneri devono considerare il percorso termico completo:

Canale GaN
→ Strato GaN
→ interfaccia di legame
→ diamante
→ incapsulamento
→ dissipatore di calore

Tra questi elementi, la resistenza al confine termico GaN-diamante è particolarmente importante.

Un'interfaccia progettata male può impedire al dispositivo di sfruttare appieno la conducibilità termica del diamante.

Anche lo spessore del diamante deve essere ottimizzato piuttosto che semplicemente massimizzato. Una volta che il diamante fornisce una sufficiente diffusione del calore, la resistenza interfacciale e l'incapsulamento possono diventare le limitazioni termiche dominanti.

Per progetti RF ad alta potenza, le specifiche GaN su diamante più importanti includono quindi:

• Struttura epi GaN
• Tipo di diamante
• Spessore del diamante
• Metodo di legame
• Materiale e spessore dello strato intermedio
• Resistenza al confine termico
• Rugosità superficiale
• Vuoti di legame
• TTV, arco e deformazione
• Perdita RF
• Densità di potenza del dispositivo target

Poiché i dispositivi RF GaN continuano verso frequenze e densità di potenza più elevate, l'integrazione eterogenea GaN-diamante diventerà probabilmente sempre più importante ovunque gli approcci convenzionali di raffreddamento del substrato e dell'incapsulamento non siano più in grado di mantenere una temperatura di giunzione accettabile.