- Pesquisadores do MIT e parceiros incorporaram transistores de GaN em uma camada ultrafina de diamante para espalhar o calor e manter a temperatura estável, melhorando o desempenho.
- O diamante funciona como dispersor de calor, permitindo que GaN e silício operem na mesma temperatura, aumentando confiabilidade e eficiência.
- O resultado é um amplificador de potência para comunicações sem fio que supera dispositivos similares encontrados na literatura.
- O processo de fabricação usa laser de femtosegundo para cavidades precisas no diamante e montagem de dielets de GaN, reduzindo capacitâncias indesejadas.
- A pesquisa foi apresentada no Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, com aplicações potenciais em radar de alta potência, comunicações espaciais e drones industriais.
O MIT, em parceria com universidades e laboratórios, apresentou uma abordagem para reduzir o aquecimento em transistores de nitreto de gálio (GaN) integrados a chips de silício. A inovação envolve um interposer de diamante ultrafino que atua como disipador de calor, permitindo que os transistores operem próximo do desempenho máximo sem comprometer a confiabilidade.
A equipe fabricou um amplificador de potência para comunicações sem fio e mostrou que ele superou dispositivos similares encontrados na literatura. A técnica, embora exija integração de múltiplos sistemas de materiais, pode ser escalada para aplicações comerciais.
Multimaterialidade e vantagens
O método utiliza sistemas heterogêneos em que GaN é empilhado sobre silício, mantendo temperaturas equivalentes entre materiais para melhorar a confiabilidade. O diamante, com alta condutividade térmica, equaliza as temperaturas e reduz capacitâncias indesejadas que prejudicam o desempenho.
Os pesquisadores desenvolveram uma abordagem diferente da grown-on-diamond tradicional, que não é escalável e introduzia capacitâncias indesejadas. Ao embutir transistores GaN minúsculos em um interposer de diamante, a dissipação de calor é mais eficiente e a operação é mais estável.
Processo de fabricação
A produção começa com um laser ultrarrápido para cortar dielets de GaN de uma pastilha. Cavidades precisas são gravadas no diamante, que recebe uma película de fixação de apenas 20 microns antes de acomodar o dielet.
Após o posicionamento, calor e pressão selam o conjunto entre o dielet, a película e o diamante. Em seguida, camadas dielétricas e metálicas são empilhadas para formar o circuito funcional. Esse conjunto resulta no amplificador de potência.
O amplificador obtido apresentou maior potência de saída, eficiência e ganho do que dispositivos comparáveis já descritos em estudos anteriores. A relação entre GaN e diamante é o principal ganho de desempenho observado.
Aplicações e impactos
A pesquisa aponta aplicações em radares de alta potência, comunicações espaciais e drones industriais, além de potencial melhoria em sistemas que lidam com conversões de potência em data centers. A viabilização comercial depende da escalabilidade dos materiais e da integração entre sistemas.
O estudo foi apresentado no Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, ligado ao IEEE International Microwave Symposium. O time envolvido inclui Pradyot Yadav, Tomás Palacios e Ruonan Han, entre outros colaboradores de Georgia Tech e Penn State. O trabalho recebeu financiamento de agências militares e institucionais.
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