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Materials for Robust Gallium Nitride

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Materiali per l’elettronica che operano in ambienti difficili

Un’iniziativa dell’UE ha sviluppato nuovi materiali, processi e incapsulamento per creare dispositivi elettronici e sensori in grado di resistere all’esposizione a condizioni estreme.

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Dispositivi elettronici e sensori spesso devono essere utilizzati a temperature elevate, con intensi campi elettrici o in ambienti altamente corrosivi. Il progetto MORGAN (Materials for robust gallium nitride) ha studiato il modo in cui utilizzare eterostrutture di diamante e nitruro di gallio (GaN) al fine di produrre i materiali migliori per tali condizioni. I partner del progetto hanno sviluppato innovativi substrati compositi a base di diamante ed effettuato la prima dimostrazione europea tramite la progettazione di wafer da 2 pollici (5,08 cm). È stata studiato la crescita diretta di GaN su singolo cristallo e diamante policristallino. I confinamenti 2D del gas di elettroni sono stati padroneggiati per entrambi i tipi di strutture di diamante cristallino. Il team del progetto MORGAN ha sviluppato la crescita di GaN su svariati substrati, quali zaffiro, silicuro di carbonio, silicio e materiale composito, utilizzando specifici strati e schemi di nucleazione o intercalare, al fine fare spazio a disallineamenti di espansione termica e cristallina. In seguito, è stata effettuata la dimostrazione del primo transistor ad alta mobilità di elettroni (HEMT) ottenuto dalla crescita diretta di un’eterostruttura GaN su singolo cristallo di diamante. Tale dimostrazione ha dato luogo a microonde con frequenze di taglio nell’intervallo di 40 GHz. Gli scienziati hanno realizzato crescite di nitruro di indio e alluminio/GaN per transistor HEMT, su substrati compositi a base di diamante. Inoltre, sono stati sviluppati sensori di temperatura e pressione elevata, e sensori elettrochimici con il relativo incapsulamento. È stato dimostrato il funzionamento dei sensori fino a80 bar e sono state utilizzate temperature di collaudo fino a 450 °C. Inoltre, il team di ricerca ha dimostrato il funzionamento di ottimi sensori elettrochimici con rapidi tempi di reazione. Un robusto processo di incapsulamento con ceramica e interconnessioni di argento è stato sviluppato e sottoposto a ciclo di temperatura di 650 °C. Infine, il progetto MORGAN ha ottenuto efficienti scambiatori di calore 3D utilizzando rame basato sulla tecnologia a getto. La diffusione dei risultati ha incluso principalmente 27 articoli e oltre 175 presentazioni in occasione di grandi eventi. Dalla combinazione di diamante e GaN, gli studi effettuati hanno dato prova del modo in cui questi due materiali possono essere sfruttati per produrre i migliori materiali e dispositivi per le massime prestazioni in ambienti estremi, specialmente a temperature elevate e con intensi campi elettrici.

Parole chiave

Dispositivi elettronici, sensori, MORGAN, nitruro di gallio, diamante

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