Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha integrado transistores de nitruro de galio en una capa ultrafina de diamante para mejorar la gestión térmica de la electrónica inalámbrica de alta potencia. La técnica busca superar una limitación crítica de los chips basados en silicio, cuya capacidad para manejar potencia condiciona la velocidad y la eficiencia energética de sistemas como las comunicaciones 6G y los enlaces por satélite.
El nitruro de galio, o GaN, se considera un material avanzado para fabricar transistores capaces de operar a mayores velocidades y con los niveles de energía que exigen las aplicaciones inalámbricas más intensivas. Sin embargo, incluso en dispositivos de alto rendimiento, una parte considerable de la energía se transforma en calor. Al concentrar más transistores GaN en áreas cada vez menores sobre chips de silicio, aparecen puntos calientes localizados que reducen la fiabilidad y limitan las prestaciones.
La solución desarrollada por los investigadores consiste en incrustar pequeños transistores GaN en un intercalador ultrafino de diamante monocristalino. Esta capa actúa como difusor térmico, homogeniza la temperatura y permite que los transistores se acerquen a su rendimiento máximo sin comprometer la fiabilidad del dispositivo.
El trabajo, liderado por el estudiante de doctorado Pradyot Yadav, propone una solución a uno de los principales problemas de los chips modernos: el exceso de calor generado por transistores de alta potencia.
Diamante para enfriar chips más potentes
El avance se basa en la integración de transistores de nitruro de galio (GaN) dentro de una capa ultrafina de diamante monocristalino, un material con la mayor conductividad térmica conocida.
En lugar de usar el diamante como una capa superficial, como en intentos anteriores, el equipo lo emplea como sustrato intermedio donde se incrustan pequeños dispositivos llamados dielets. Este diseño permite que el calor se distribuya de forma mucho más eficiente, evitando puntos calientes que degradan el rendimiento.
El objetivo es igualar la temperatura entre materiales distintos dentro del chip para mejorar su fiabilidad y rendimiento global.
Además de Yadav, firman el trabajo Tomás Palacios, profesor Clarence J. LeBel de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, director de los Microsystems Technology Laboratories y del MIT Institute for Soldier Nanotechnology; Ruonan Han, profesor del mismo departamento y miembro de MTL y del Research Laboratory of Electronics; y otros investigadores de Georgia Tech y Penn State University.
Un salto en amplificadores de potencia
El equipo utilizó esta arquitectura para fabricar un amplificador de potencia para comunicaciones inalámbricas. El dispositivo superó en rendimiento, potencia de salida, eficiencia y ganancia, a cualquier diseño comparable reportado en la literatura científica.
Además, este tipo de amplificadores es fundamental en sistemas de comunicación, ya que convierten señales débiles en transmisiones capaces de viajar largas distancias, incluso kilómetros.
El proceso de fabricación es extremadamente preciso. Incluye el uso de láseres de femtosegundos para cortar los transistores de una oblea de GaN, cavidades en el diamante y la inserción de capas adhesivas de apenas 20 micras.
Después, los dispositivos se encapsulan con capas adicionales para formar un circuito funcional. Los investigadores destacan que, aunque complejo, el método es escalable a nivel industrial, lo que abre la puerta a su uso comercial.
Por su parte, este avance podría tener aplicaciones en radares de alta potencia, comunicaciones espaciales, drones industriales y centros de datos, donde la gestión del calor es un factor crítico para la eficiencia energética. Los investigadores creen que este enfoque de integración heterogénea de materiales, combinando lo mejor de cada uno, será clave en la próxima generación de dispositivos electrónicos.
La investigación recibió financiación parcial del Department of War, la Air Force Office of Scientific Research, el MIT Institute for Soldier Nanotechnologies y las Qualcomm Innovation Fellowships. La fabricación de dispositivos y los trabajos de microscopía se realizaron en MIT.nano y en el Georgia Tech Institute for Matter and Systems.
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