硅是目前绝大多数芯片的基础材料,但其功率承载能力存在天然限制,难以满足未来高速无线通信对性能和能效的要求。相比之下,氮化镓具有更高的功率密度和工作频率,被视为6G通信、高功率雷达和卫星通信的重要候选材料。然而,氮化镓器件在运行过程中大量能量会转化为热量,而局部热点会降低器件可靠性并限制性能发挥。
为解决这一问题,研究团队采用实验室培育的单晶金刚石作为散热层。金刚石具有已知材料中最高的导热率,可迅速扩散热量,可使氮化镓与硅基电路保持相近温度,从而提高整个三维芯片系统的可靠性。
此前,通常在氮化镓晶体管表面直接生长超薄金刚石层,但这种方法难以大规模制造,而且会产生寄生电容,降低器件运行速度。此次,团队利用飞秒激光从氮化镓晶圆中切割出微型芯粒,并将其嵌入预先加工好的单晶金刚石基底微腔中,再通过仅20微米厚的导热薄膜实现高效热传导。
在此基础上,团队制备出无线系统关键器件,即功率放大器。测试结果显示,其输出功率、效率和增益均超过已知同类器件。团队表示,该放大器能够支持信号远距离传播,可应用于高功率雷达、空间通信以及工业无人机等领域。
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