En grupp forskare vid University of California, Riverside Bourns College of Engineering har utvecklat en teknik för att hålla kallt ett halvledarmaterial som används i allt från trafikljus till elbilar.
Galliumnitrid (GaN), ett halvledarmaterial som använts i starkt ljus sedan 1990-talet, används i trådlösa applikationer på grund av dess höga effektivitet och högspänningsdrift. Dock, applikationerna och marknadsandelen för GaN-elektronik är begränsad eftersom det är svårt att ta bort värme från dem.
Det kan ändras på grund av en teknik utvecklad av forskargruppen Nano-Device Laboratory ledd av Alexander Balandin, professor i elektroteknik och grundande ordförande för programmet Materialvetenskap och teknik.
Forskargruppen visade att hot spots i GaN-transistorer kan sänkas med så mycket 20 grader Celsius genom införandet av alternativa värmeavgivande kanaler implementerade med grafenflerlager, som är utmärkta värmeledare. Temperatursänkningen översätts till en ökning av enhetens livslängd med en faktor 10.
"Detta representerar en transformativ förändring i termisk hantering, sa Balandin.
Det nya tillvägagångssättet för termisk hantering av kraftelektronik med grafen beskrevs i en artikel "Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors" som publicerades 8 maj i Naturkommunikation .
GaN-transistorer har erbjudits kommersiellt sedan 2006. Problemet med dem, som alla högeffektsdriftenheter, är en betydande mängd avledd värme, som måste tas bort snabbt och effektivt. Olika värmehanteringslösningar såsom flip-chip-bindning eller kompositsubstrat har försökts. Dock, applikationer har fortfarande varit begränsade på grund av temperaturökningar på grund av avledd värme.
Genombrottet i termisk hantering av GaN krafttransistorer uppnåddes av Balandin och tre av hans elteknikstudenter:Guanxiong Liu, Zhong Yan, både Ph.D. kandidater, och Javed Khan, som tog sin Ph.D. och började arbeta på Intel Corporation i år.
Balandin – mottagare av IEEE Nanotechnology Pioneer Award för 2011 – har tidigare upptäckt att grafen är en utmärkt värmeledare. Fålagers grafenfilmer bevarar sina utmärkta termiska egenskaper även när deras tjocklek bara är några nanometer, vilket är till skillnad från metall- eller halvledarfilmer. Det senare gör dem till utmärkta kandidater för tillämpningar som laterala värmespridare och sammankopplingar.
Balandin-gruppens forskare designade och byggde grafen-grafit "quilts" ovanpå GaN-transistorer. Grafen-grafit quiltarnas funktion var att ta bort och sprida värmen från hot spots – motsatsen till vad du förväntar dig av de konventionella quiltarna.
Med hjälp av mikro-Raman spektroskopisk termometri visade forskarna att temperaturen på de heta punkterna kan sänkas med så mycket 20 grader Celsius i transistorer som arbetar med höga effektnivåer.
Datorsimuleringarna som utfördes av gruppen antydde att grafentäcken kan prestera ännu bättre i GaN-enheter på mer termiskt resistiva substrat.
Balandin-gruppen är också känd inom grafengemenskapen för sin undersökning av lågfrekvent brus i grafentransistorer, utveckling av den första storareametoden för kvalitetskontroll av grafen och demonstration av den första selektiva gassensorn implementerad med orörd grafen.
Arbetet med termisk hantering av GaN-transistorer med grafentäcken stöddes av Office of Naval Research. Balandins forskning om grafens termiska egenskaper finansierades av Semiconductor Research Corporation och Defense Advanced Research Project Agency.
