钻石“毯子”可以冷却6G所需的晶体管

无论从象征意义上还是字面意义上来说，大功率射频电子产品都是一种热门商品。放大5G和未来6G信号所需的晶体管正在努力处理热负载，这造成了发展瓶颈。美国和英国的工程师联手展示了一种很有前途的解决方案——将单个晶体管包裹在一层导热金刚石中以保持它们的凉爽。

“热问题是目前困扰任何微电子产品的最大瓶颈之一，”团队负责人说Srabanti Chowdhury他是斯坦福大学电气工程教授。“我们问自己，‘我们能在不影响电气性能的情况下，在材料层面上实现设备冷却吗?’”

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的确，他们可以。工程师们在每个晶体管的顶部(最热点)和两侧都生长了一层吸热金刚石层。热量通过钻石流到设备背面的散热器。通过这项技术，研究人员在不降低设备电气性能的情况下，将温度降低了100摄氏度。他们将在旧金山的IEEE国际电子器件会议12月。

他们在氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(hemt)上演示了他们的技术。GaN是高频应用中硅的首选替代品，因为它可以承受更高的电场，并且对电场变化的响应更快。氮化镓的分解温度也比硅高。但还不够高。乔杜里说:“如果你从材料的物理学角度来看，你会看到它的潜力是什么，而我们今天离这个目标还很远。”随着器件的缩小和频率的增加，保持GaN hemt的冷却将使它们实现其物理承诺的潜力。

保持晶体管的低温将使它们能够在更高频率下提供更高的功率，同时保持它们足够小，为下一代雷达、6G等提供动力。

工程师们在氮化镓晶体管周围种植钻石晶体，从源头吸走热量。Srabanti Chowdhury /斯坦福

乔杜里团队的方法完全不同于通常的做法，即将散热片与整个芯片背面连接在一起。为了将散热片提升到器件水平，同时又不增加不必要的电容，从而降低晶体管的速度，乔杜里和合作者必须将聚晶金刚石生长成薄膜，不同晶粒之间的边界数量尽可能少。他们还必须确保这些边界具有较低的热电阻率。以一种与半导体代工处理器兼容的方式沉积钻石是一项不太可能的壮举。

钻石是公认的最佳导热体迈克Burkland，高级首席系统工程师雷神导弹防御公司他没有参与这项研究。“传统金刚石生长方法的问题在于它需要高温和高压。因此，真正的创新是能够在低温和低压下生长出足够大的金刚石颗粒，用于GaN器件的传热。由于过去的困难，我并没有对这项研究的成功寄予很大的希望，但这是一项艰巨的工作。”

这项工作是五所大学之间的大规模合作。用于钻石生长的特殊类型的HEMT是由加州大学圣巴巴拉分校开发的Umesh Mishra的研究小组．塞缪尔·格雷厄姆的团队他先是在佐治亚理工学院(Georgia Tech)，然后在马里兰大学(University of Maryland)进行压力管理和稳定性测试。Mohamadali Malakoutian乔杜里团队的博士后研究员，证明了低温金刚石生长的可行性。然后测量材料的热性能Marin Kuball的团队布里斯托尔大学。全能菱形是乔杜里提出的概念，她在斯坦福大学的团队成功地将其付诸实践Rohith索曼建立了HEMT，集成了金刚石，并测量了通道温度来显示效果。

下一步将是将这项技术从实验室转移到工业领域。这些晶体管已经制造了很多年，修改工艺来增加一层新的晶体管层并不容易。新工艺必须通过可靠性测试和工程设计才能获得高产量。乔杜里说，她的团队正在与几个行业伙伴就这些问题进行合作。

研究人员还希望将这项技术应用于其他器件和半导体材料。乔杜里说:“我们非常兴奋，我们正在努力使它超越氮化镓。”“实际上，我们的目标是让它成为一个更强大、更多功能的所有半导体平台。”

即使这仍然是一种单一的半导体技术，解决GaN热问题的潜在影响也是巨大的。“5G或6G的未来极度依赖氮化镓hemt，”乔杜里说。氮化镓晶体管还可以在电动汽车充电和其他在小空间内处理大量电力的应用中发挥作用。“当你把东西变得更紧凑时，你会在单位面积上产生更多的热量。如果我们准备好应对高温，那么所有这些创新都可以齐头并进，让解决方案发挥其潜力。”

作为此类设备的工业消费者，雷神公司的伯克兰也表达了同样的观点。他说:“我知道自己和许多其他人都在关注这项研究。”“我们真的很兴奋。”