O silício, que constitui a base da maioria dos chips de computador, possui limites fundamentais quanto à quantidade de energia que pode gerenciar, o que restringe a velocidade e a eficiência energética dos sistemas de comunicação sem fio.

Uma solução promissora é construir os futuros dispositivos eletrônicos sem fio com transistores feitos de nitreto de gálio, um material avançado capaz de lidar com a velocidade e a energia exigidas por aplicações sem fio exigentes, como o 6G e as comunicações via satélite. 

Mas mesmo nos melhores transistores, uma grande fração dessa energia se transforma em calor. À medida que os pesquisadores compactam mais transistores de nitreto de gálio em uma área menor em um chip de silício, pontos quentes localizados degradam a confiabilidade e prejudicam o desempenho.

Agora, uma equipe do MIT e de outras instituições superou esse obstáculo incorporando transistores de nitreto de gálio em uma camada ultrafina de diamante. O diamante atua como um dissipador de calor que normaliza a temperatura e permite que os transistores atinjam o desempenho máximo sem comprometer a confiabilidade.

Os pesquisadores utilizaram essa técnica para fabricar um amplificador de potência para comunicações sem fio, que superou todos os amplificadores similares encontrados na literatura. 

Embora sua técnica de fabricação seja extremamente precisa e exija a integração de diferentes sistemas de materiais, ela pode ser realizada na escala necessária para aplicações comerciais.

“Nenhum material isolado consegue desempenhar todas as funções com excelência em um dispositivo sem fio, portanto, esses sistemas integrados heterogeneamente em 3D vieram para ficar. O principal desafio restante era a confiabilidade e o gerenciamento térmico, e talvez tenhamos agora desvendado o último passo necessário para que esses sistemas operem em escala e em alto volume”, afirma Pradyot Yadav, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) no MIT e autor principal de um artigo sobre esse avanço .

Yadav é acompanhado no artigo por Tomás Palacios, professor titular da Cátedra Clarence J. LeBel de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS), diretor dos Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas (MTL) e do Instituto de Nanotecnologia para Soldados do MIT; e Ruonan Han, professor de EECS e membro do MTL e do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica; além de outros pesquisadores do Georgia Tech e da Penn State University. A pesquisa foi apresentada no Simpósio de Circuitos Integrados de Radiofrequência, parte do Simpósio Internacional de Micro-ondas do IEEE.

Para construir eletrônicos mais rápidos e com maior eficiência energética, pesquisadores estão estudando sistemas integrados heterogeneamente, nos quais múltiplos materiais são empilhados em um pacote unificado para aproveitar as propriedades benéficas de cada um. 

Por exemplo, pesquisadores do MIT já haviam empilhado  nitreto de gálio (GaN) sobre silício , bem como sobre vidro, para criar chips de maior desempenho.

Mas em um chip integrado de forma heterogênea, cada material possui uma temperatura de operação diferente, o que pode degradar a confiabilidade de um dispositivo eletrônico. 

“Se pudermos incorporar um material que controle o calor para que o GaN e o silício fiquem na mesma temperatura, a confiabilidade de todo o chip 3D melhorará. O melhor material para isso é o diamante”, explica Yadav.

Os pesquisadores usam diamantes cultivados em laboratório, com qualidade de joalheria — o mesmo tipo encontrado em alguns anéis de noivado. O diamante possui a maior condutividade térmica de qualquer material conhecido. 

Os avanços no processo de crescimento reduziram significativamente o custo das lâminas de diamante monocristalino, tornando seu uso em chips de computador mais viável.

Em trabalhos anteriores, cientistas cultivaram camadas ultrafinas de diamante monocristalino sobre transistores de GaN para controlar o calor. 

Mas esse processo de crescimento, que não é fácil de ampliar, introduz capacitâncias indesejadas no chip. Essas capacitâncias armazenam a energia que flui pelo circuito, desviando-a dos transistores e retardando seu funcionamento. 

Os pesquisadores do MIT desenvolveram uma abordagem completamente diferente que reduz esses efeitos capacitivos indesejados. Eles incorporaram transistores de GaN extremamente pequenos, conhecidos como dielets, em um interposer ultrafino, ou substrato, feito de diamante monocristalino. Essa camada de diamante dispersa e controla o calor, de modo que o GaN e o silício operam na mesma temperatura, sem as capacitâncias indesejadas.

“Ao inserir esses transistores de GaN em um interposer de diamante, conseguimos, na verdade, melhorar o desempenho do dispositivo, em vez de degradá-lo. Podemos obter o melhor dos dois mundos”, diz Yadav.

O processo de fabricação começa com o uso de um laser de femtosegundo extremamente rápido para cortar micropartículas de nitreto de gálio preparadas a partir de um wafer. 

Os pesquisadores usam o laser para perfurar cavidades de tamanho preciso no substrato de diamante. Eles colocam cuidadosamente uma película de fixação de chip, com apenas 20 mícrons de espessura, no fundo da cavidade e depositam um chip sobre a película. 

Uma vez que o molde está no lugar, eles aplicam calor e pressão para moldá-lo com o filme e o substrato de diamante.

“Essa interface é fundamental. Se a película de fixação térmica do chip não estiver posicionada corretamente, o fluxo de calor através do diamante até o transistor de GaN não será suficiente. Portanto, é essencial ter uma superfície muito lisa e limpa”, afirma Yadav.

Em seguida, os pesquisadores empilham camadas adicionais de dielétrico e metal sobre o GaN e o diamante para construir um circuito funcional.

Eles usaram essa técnica para fabricar um amplificador de potência, que é um dos componentes fundamentais de qualquer sistema sem fio. Os amplificadores de potência convertem pequenos sinais elétricos em sinais maiores que podem então ser transmitidos a longas distâncias.

O amplificador que desenvolveram alcançou maior potência de saída, eficiência e ganho do que qualquer dispositivo similar de que os pesquisadores tenham conhecimento, incluindo um amplificador que eles projetaram em um trabalho anterior.

“O amplificador de potência é o coração pulsante da interface de um dispositivo sem fio. Seu desempenho determinará o desempenho de todo o seu sistema de comunicação. Nosso amplificador é potente o suficiente para garantir que um sinal possa ser propagado por quilômetros”, afirma Yadav.

Esses resultados mostram como a técnica deles pode ser adequada para aplicações exigentes, como radares de alta potência, comunicações espaciais e drones industriais. 

Também poderia ser usado para gerenciar o calor em sistemas que realizam conversões de energia dentro de centros de dados, melhorando a eficiência energética. 

Yadav espera que outros pesquisadores se baseiem nesses avanços à medida que desenvolvem sistemas integrados heterogeneamente mais complexos, abrindo caminho para novas possibilidades com a eletrônica de próxima geração.

“Quando comecei meu doutorado, nos perguntávamos se tudo isso seria possível. Parecia ficção científica. Agora, mostramos que todos esses sistemas superaram qualquer coisa que existe no mercado hoje. O GaN e os sistemas heterogêneos 3D estarão na vanguarda de muitas aplicações futuras. É gratificante saber que contribuímos um pouco para esse campo”, diz ele.

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Departamento de Guerra, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, pelo Instituto de Nanotecnologias para Soldados do MIT e pelas Bolsas de Inovação da Qualcomm. A fabricação dos dispositivos e a microscopia foram realizadas no MIT.nano e no Instituto de Matéria e Sistemas do Georgia Tech.