Výrobní procesy řady výkonných zařízení vyžadují vysoké teploty. To ale většina polovodičů nevydrží.
Nitrid gallia (GaN) na diamantu je slibným polovodičovým materiálem příští generace díky šířce zakázaného pásu a současně vysoké tepelné vodivosti diamantu. Již byly učiněny pokusy o vytvoření struktury GaN na diamantu kombinací obou složek s nějakou formou přechodové vrstvy, ale tato další vrstva dosud vždy výrazně narušila tepelnou vodivost diamantu.
Výzkumníci z Osaka City University se proto rozhodli oba materiály integrovat přímo. Jak uvádí spoluautor nové studie Jianbo Liang z Osaka City University, krystalové struktury obou látek jsou natolik odlišné, že nitrid gallia na diamantu (ani naopak) není možné nechat vyrůst. Jednou z možností je zkusit obě již hotové vrstvy k sobě prostě „přilepit“ (wafer direct bonding). Pevnost spoje ale obvykle vyžaduje zase vše zahřát na vysoké teploty (obvykle kolem 500 °C) tzv. metodou dodatečného žíhání (post-annealing). Protože ale obě látky mají různou teplotní roztažnost, ani tohle nebude dobře fungovat a ve struktuře vzniknou trhliny.
Výzkumníci z Osaka City University, Tohoku University, Saga University a společnosti Adamant Namiki Precision Jewel nakonec použili metodu povrchově aktivovaného lepení (surface activated bonding, SAB). Metoda SAB vytváří vysoce pevné vazby mezi různými materiály při pokojové teplotě tím, že se povrchy obou látek na atomární úrovni čistí a aktivují, aby při vzájemném kontaktu k sobě přilnuly (snad se dá říct i „reagovaly“). Analýzy ukázaly, že spojení má podobu mezivrstvy o tloušťce přibližně 5,3 nm, která byla směsí amorfního uhlíku a diamantu, v níž byly rozptýleny atomy gallia a dusíku.
Vzniklé spojení bylo stabilní i při zahřátí na 1 000 °C. Navíc při této teplotě se podařilo tloušťku mezivrstvy dále snížit na 1,5 nm, protože amorfní uhlík mizel (respektive se přeměňoval na čistý diamant). Díky tomu vzrostla pevnost spoje a s tím i odolnost materiálu pro další výrobní procesy. Další optimalizace celého postupu by mohla umožnit mezivrstvu i úplně odstranit. Díky vysoké tepelné vodivosti diamantu se pak při dalším zpracování nebo i provozu tranzistory z nitridu gallia zdaleka tolik nezahřívají.
Jianbo Liang et al, Fabrication of GaN/Diamond Heterointerface and Interfacial Chemical Bonding State for Highly Efficient Device Design, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002/adma.202104564
Zdroj: Osaka City University / TechXplore.com