Ny varmemodel kan hjælpe elektroniske enheder med at holde længere

Et team af ingeniører baseret på University of Illinois har fundet ud af, at den model, der i øjeblikket bruges til at forudsige varmetab i et almindeligt halvledermateriale, ikke gælder i alle situationer. Ved at teste de termiske egenskaber af galliumnitrid-halvledere fremstillet ved hjælp af fire populære metoder, holdet opdagede, at nogle teknikker producerer materialer, der yder bedre end andre. Denne nye forståelse kan hjælpe chipproducenter med at finde måder til bedre at sprede varmen, der fører til beskadigelse af enheden og reduceret enhedens levetid.

Siliciumchips bliver skubbet til deres grænser for at opfylde kravene fra nutidens elektroniske enheder. Galliumnitrid, andet halvledermateriale, er bedre egnet til brug i højspændings- og højstrømsapplikationer som dem, der er nødvendige for 5G-telefoner, "tingenes internet" enheder, robotter og autonome køretøjer. Galliumnitridspåner er allerede i brug, men der er ingen systematiske undersøgelser, der undersøger de termiske egenskaber af de forskellige former af materialet, sagde forskerne. Deres resultater er offentliggjort i Journal of Applied Physics .

Galliumnitridspåner fremstilles ved at aflejre galliumnitriddamp på en overflade, hvor den krystalliserer til et fast stof, sagde forskerne.

"Sammensætningen og atomstrukturen af ​​overfladen, der bruges til at dyrke krystallerne, påvirker antallet af defekter i det endelige produkt, " sagde Can Bayram, en elektro- og computeringeniørprofessor og hovedforfatter af undersøgelsen. "For eksempel, krystaller dyrket på siliciumoverflader producerer en halvleder med mange defekter - hvilket resulterer i lavere termisk ledningsevne og varmere hotspots - fordi atomstrukturerne af silicium og galliumnitrid er meget forskellige."

Holdet testede den termiske ledningsevne af galliumnitrid dyrket ved hjælp af de fire mest teknologisk vigtige fremstillingsteknikker:hydriddampfaseepitaksi, højt nitridtryk, dampaflejring på safir og dampaflejring på silicium.

For at finde ud af, hvordan de forskellige fremstillingsteknikker påvirker de termiske egenskaber af galliumnitrid, holdet målte termisk ledningsevne, defektdensitet og koncentrationen af ​​urenheder i hvert materiale.

"Ved at bruge vores nye data, vi var i stand til at udvikle en model, der beskriver, hvordan defekter påvirker de termiske egenskaber af galliumnitrid-halvledere, " sagde Bayram. "Denne model giver et middel til at estimere den termiske ledningsevne af prøver indirekte ved hjælp af defektdata, hvilket er nemmere end direkte at måle den termiske ledningsevne."

Holdet fandt ud af, at silicium - den mest økonomiske af alle de overflader, der bruges til at dyrke galliumnitrid - producerer krystaller med den højeste defekttæthed af de fire populære fremstillingsmetoder. Afsætning på safir giver en bedre krystal med højere termisk ledningsevne og lavere defekttæthed, men denne metode er ikke nær så økonomisk. Hydriddampepitaxien og teknikker med højt nitridtryk producerer overlegne produkter med hensyn til termiske egenskaber og defektdensitet, men processerne er meget dyre, sagde Bayram.

Galliumnitrid-baserede chips, der bruger krystaller dyrket på silicium, er sandsynligvis tilstrækkelige til forbrugerelektronikmarkedet, hvor omkostninger og overkommelighed er nøglen, han sagde. Imidlertid, Enheder af militær kvalitet, der kræver bedre pålidelighed, vil drage fordel af chips fremstillet ved hjælp af de dyrere processer.

"Vi forsøger at skabe et system med højere effektivitet, så vi kan få mere ud af vores enheder - måske et, der kan holde 50 år i stedet for fem, " sagde Bayram. "Forståelse af, hvordan varme spredes, vil give os mulighed for at ombygge systemer til at være mere modstandsdygtige over for hotspots. Dette arbejde, opført udelukkende ved U. of I., lægger fundamentet i termisk styring af de teknologisk vigtige galliumnitrid-baserede halvlederenheder."