Investigadores del MIT han mejorado el rendimiento de dispositivos electrónicos de alta potencia utilizando una capa delgada de diamante para gestionar el calor, aumentando la eficiencia y velocidad en comunicaciones inalámbricas avanzadas.
Investigadores del MIT han desarrollado una innovadora técnica que utiliza una capa ultradelgada de diamante para gestionar el exceso de calor en transistores de nitruro de galio, lo que promete mejorar la velocidad y eficiencia energética de los dispositivos inalámbricos de próxima generación.
El silicio, material base de la mayoría de los chips informáticos, presenta limitaciones inherentes en cuanto a la cantidad de potencia que puede manejar. Esto restringe tanto la velocidad como la eficiencia energética de los sistemas de comunicación inalámbrica. Una alternativa prometedora radica en la utilización de transistores fabricados con nitruro de galio, un material avanzado capaz de soportar las exigencias energéticas y veloces requeridas por aplicaciones críticas como el 6G y las comunicaciones satelitales.
A pesar de su potencial, estos transistores generan una cantidad considerable de calor. A medida que se incrementa la densidad de transistores en un chip, los puntos calientes localizados pueden comprometer la fiabilidad y el rendimiento del dispositivo. Sin embargo, el equipo del MIT ha logrado superar este obstáculo al integrar los transistores de nitruro de galio en una capa ultradelgada de diamante, que actúa como un dispersor térmico. Esta innovación permite que los transistores operen a su máximo rendimiento sin sacrificar su fiabilidad.
Los investigadores han utilizado esta técnica para fabricar un amplificador de potencia destinado a comunicaciones inalámbricas, superando todos los amplificadores similares documentados hasta ahora. Aunque el proceso es extremadamente preciso y requiere la integración de diferentes sistemas materiales, es escalable para aplicaciones comerciales. Pradyot Yadav, estudiante graduado en ingeniería eléctrica y ciencias computacionales (EECS) en el MIT y autor principal del estudio, afirma: “Ningún material único puede desempeñar todas las funciones bien en un dispositivo inalámbrico; por eso estos sistemas integrados heterogéneamente son el futuro”.
Yadav está acompañado en esta investigación por Tomás Palacios y Ruonan Han, ambos profesores en EECS del MIT. La investigación fue presentada durante el Simposio sobre Circuitos Integrados Radiofrecuencia, parte del Simposio Internacional sobre Microondas IEEE.
Para construir dispositivos electrónicos más rápidos y eficientes energéticamente, se están explorando sistemas integrados heterogéneamente donde múltiples materiales se apilan en un solo paquete para aprovechar sus propiedades beneficiosas. Por ejemplo, investigadores del MIT han apilado previamente nitruro de galio sobre silicio y vidrio para crear chips con mejor rendimiento.
Aunque cada material tiene diferentes temperaturas operativas que pueden afectar la fiabilidad del dispositivo electrónico, incorporar un material que gestione el calor permite mantener a GaN y silicio a la misma temperatura. El diamante es considerado el mejor material para esta función debido a su alta conductividad térmica.
Los avances recientes en los procesos de crecimiento han reducido significativamente el costo de las obleas de diamante monocristalino, facilitando su uso en chips informáticos. En trabajos anteriores, científicos habían crecido capas ultradelgadas y monocristalinas de diamante sobre transistores GaN para controlar el calor; sin embargo, este proceso no era fácil de escalar y generaba capacitancias no deseadas que ralentizaban las operaciones electrónicas.
El equipo del MIT ha desarrollado un enfoque diferente que minimiza estos efectos capacitivos no deseados al incrustar diminutos transistores GaN conocidos como dielets dentro de un interposer ultradelgado hecho también de diamante monocristalino. Esto permite gestionar eficazmente el calor mientras se evita la introducción de capacitancias indeseadas.
“Al colocar estos transistores GaN en un interposer de diamante, realmente podemos mejorar el rendimiento del dispositivo”, explica Yadav.
El proceso comienza con un láser femtosegundo que corta dielets preparados a partir de una oblea de nitruro de galio. Los investigadores utilizan este láser para perforar cavidades precisas en el sustrato diamantado antes de colocar una película adhesiva extremadamente fina dentro. Luego posicionan un dielet sobre esta película antes aplicar calor y presión para moldearlo junto al sustrato diamantado.
“Esa interfaz es clave; si no colocas correctamente esa película adhesiva térmica, entonces el flujo térmico hacia el transistor GaN no será suficiente”, advierte Yadav. Posteriormente, se apilan capas adicionales dieléctricas y metálicas sobre el GaN y el diamante para formar un circuito funcional.
El amplificador resultante ha demostrado tener mayor potencia salida, eficiencia y ganancia comparado con cualquier otro dispositivo similar conocido por los investigadores hasta ahora. “El amplificador es esencialmente el corazón palpitante del frente frontal del dispositivo inalámbrico; su rendimiento dictará todo lo demás”, concluye Yadav.
Estos avances sugieren que esta técnica podría ser especialmente adecuada para aplicaciones exigentes como radares potentes, comunicaciones espaciales e incluso drones industriales. Además, podría utilizarse para gestionar el calor en sistemas encargados de conversiones energéticas dentro data centers, mejorando así su eficiencia energética general.
A medida que otros investigadores continúan desarrollando sistemas integrados heterogéneamente más complejos basados en estas innovaciones, se abre una puerta hacia nuevas posibilidades dentro del ámbito electrónico.
El diamante actúa como un dispersor de calor, normalizando la temperatura en los transistores de nitruro de galio (GaN) y permitiendo que operen a su rendimiento máximo sin comprometer la fiabilidad.
La técnica desarrollada podría ser adecuada para aplicaciones exigentes como radares de alta potencia, comunicaciones espaciales, drones industriales y sistemas de conversión de energía en centros de datos, mejorando así la eficiencia energética.
La integración heterogénea permite apilar múltiples materiales para aprovechar las propiedades beneficiosas de cada uno, lo que puede resultar en dispositivos más rápidos y eficientes energéticamente al gestionar mejor el calor y mejorar la fiabilidad.