Per la prima volta in assoluto, i ricercatori dell’Università di Osaka hanno fatto aderire direttamente il nitruro di gallio e il diamante, aprendo la strada alla prossima generazione di semiconduttori di potenza.
La possibilità per i semiconduttori di potenza di operare con alte temperature potrebbe aprire la strada ad una nuova ondata di innovazione pari a quella, se non superiore, avviata con l’introduzione delle tecnologie SiC e GaN.
Ed è proprio il nitruro di gallio alla base della nuova tecnologia che utilizza un supporto di diamante, oltre a quello del tradizionale silicio.
L’ampio gap di banda di entrambi i materiali consente un’elevata conducibilità elettrica e, per quanto riguarda il diamante, anche termica, migliorando la dissipazione del calore e consentendo al dispositivo di operare con temperature fino a 1.000 gradi centigradi.
È quanto evidenziato da uno studio della Osaka City University (OCU) pubblicato sull’ultimo numero della rivista Advanced Materials.
In passato ci sono stati tentativi di creare una struttura GaN su diamante combinando i due componenti con una qualche forma di strato intermedio, ma in entrambi i casi lo strato aggiuntivo ha interferito significativamente con la conduttività termica del diamante, vanificando uno dei vantaggi chiave della combinazione GaN-diamante.
“C’era quindi bisogno di una tecnologia in grado di integrare direttamente diamante e GaN”, afferma Jianbo Liang, Professore Associato della Graduate School of Engineering, Osaka City University (OCU), e primo autore dello studio, “Tuttavia, a causa di grandi differenze nelle loro strutture cristalline e costanti reticolari, la crescita diretta del diamante su GaN e viceversa è impossibile.”
La fusione dei due elementi insieme senza strati intermedi, nota come Wafer direct bonding, è un modo per aggirare questo problema. Tuttavia, per creare una forza di adesione sufficientemente elevata, la struttura deve essere riscaldata ad una temperatura di almeno 500 gradi centigradi; ciò generalmente provoca crepe nei materiali a causa di un disallineamento dell’espansione termica.
“In questo caso abbiamo utilizzato l’incollaggio SAB (surface activated bonding) che ha consentito di realizzare a temperatura ambiente varie interfacce con il diamante, tutte con un’elevata stabilità termica e un’eccellente praticità“, afferma il professor Naoteru Shigekawa, a capo del team di ricercatori.
Liang, Shigekawa e i loro colleghi della Tohoku University, Saga University e Adamant Namiki Precision Jewel, hanno utilizzano il processo SAB per realizzare la giunzione tra diamante e GaN, ed hanno dimostrato che questo legame è stabile fino alla temperatura di 1.000 gradi centigradi.
Il processo SAB crea legami molto forti tra differenti materiali a temperatura ambiente, pulendo atomicamente e attivando le superfici di contatto quando vengono messe a contatto l’una con l’altra.
Poiché le proprietà chimiche del GaN sono completamente diverse dai materiali che il team di ricerca ha utilizzato in passato, dopo aver realizzato la giunzione GaN su diamante col processo SAB, i ricercatori hanno utilizzato differenti tecniche per testare la stabilità della eterointerfaccia. Per verificare lo stress residuo nel GaN della giunzione, hanno utilizzato la spettroscopia micro-Raman, la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia, portando la temperatura del dispitivo 700°C in ambiente di azoto, simulando le condizioni dei processi di fabbricazione dei dispositivi GaN.
I risultati hanno mostrato che nella giunzione si formato inizialmente uno strato intermedio di circa 5,3 nm composto da una miscela di carbonio amorfo e diamante in cui sono distribuiti gli atomi di Ga e N. Quando il team ha aumentato le temperature di ricottura, ha notato una diminuzione dello spessore dello strato, “dovuta a una conversione diretta del carbonio amorfo in diamante“, afferma Shigekawa. Dopo la ricottura a 1.000 gradi centigradi, lo strato è sceso a 1,5 nm, “suggerendo che lo strato intermedio può essere completamente rimosso ottimizzando il processo di ricottura“. Sebbene la resistenza alla compressione dell’eterointerfaccia sia migliorata con l’aumento della temperature di ricottura, risultava ancora diversa rispetto alle strutture GaN su diamante formate dalla crescita dei cristalli.
Tuttavia, “poiché non è stato osservato alcun peeling sull’eterointerfaccia dopo la ricottura a 1000 gradi” afferma Liang, “questi risultati indicano che l’eterointerfaccia GaN/diamante può resistere a processi di fabbricazione difficili e garantire un rendimento termico quattro volte superiore.”
