En gruppe forskere ved University of California, Riverside Bourns College of Engineering har udviklet en teknik til at holde koldt et halvledermateriale, der bruges i alt fra trafiklys til elbiler.
Galliumnitrid (GaN), et halvledermateriale brugt i skarpt lys siden 1990'erne, bruges i trådløse applikationer på grund af dens høje effektivitet og højspændingsdrift. Imidlertid, applikationerne og markedsandelen for GaN elektronik er begrænset, fordi det er svært at fjerne varme fra dem.
Det kan ændre sig på grund af en teknik udviklet af forskningsgruppen Nano-Device Laboratory ledet af Alexander Balandin, professor i elektroteknik og grundlægger af uddannelsen Materials Science and Engineering.
Forskergruppen viste, at hot spots i GaN-transistorer kan sænkes med så meget 20 grader Celsius gennem introduktionen af alternative varmeudslipende kanaler implementeret med grafen-multilag, som er fremragende varmeledere. Temperaturreduktionen oversættes til en forøgelse af enhedens levetid med en faktor 10.
"Dette repræsenterer en transformativ ændring i termisk styring, " sagde Balandin.
Den nye tilgang til termisk styring af effektelektronik med grafen blev beskrevet i et papir "Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors", der blev offentliggjort 8. maj i Naturkommunikation .
GaN-transistorer er blevet tilbudt kommercielt siden 2006. Problemet med dem, som alle højeffektsdriftsenheder, er en betydelig mængde afledt varme, som skal fjernes hurtigt og effektivt. Forskellige varmestyringsløsninger såsom flip-chip-binding eller kompositsubstrater er blevet forsøgt. Imidlertid, applikationer har stadig været begrænset på grund af temperaturstigninger på grund af afledt varme.
Gennembruddet inden for termisk styring af GaN-effekttransistorer blev opnået af Balandin og tre af hans elektroingeniørstuderende:Guanxiong Liu, Zhong Yan, både ph.d. kandidater, og Javed Khan, der fik sin ph.d. og begyndte at arbejde hos Intel Corporation i år.
Balandin – modtager af IEEE Nanotechnology Pioneer Award for 2011 – har tidligere opdaget, at grafen er en fremragende varmeleder. Få-lags grafenfilm bevarer deres fremragende termiske egenskaber, selv når deres tykkelse kun er nogle få nanometer, hvilket er i modsætning til metal eller halvlederfilm. Sidstnævnte gør dem til fremragende kandidater til anvendelser som sidevarmespredere og sammenkoblinger.
Balandin-gruppens forskere designede og byggede grafen-grafit "quilts" oven på GaN transistorer. Grafen-grafit quiltenes funktion var at fjerne og sprede varmen fra hot spots – det modsatte af hvad man forventer af de konventionelle quilts.
Ved hjælp af mikro-Raman spektroskopisk termometri påviste forskerne, at temperaturen på de varme punkter kan sænkes med så meget 20 grader Celsius i transistorer, der opererer ved de store effektniveauer.
Computersimuleringerne udført af gruppen antydede, at grafendyner kan yde endnu bedre i GaN-enheder på mere termisk modstandsdygtige underlag.
Balandin-gruppen er også kendt i grafensamfundet for deres undersøgelse af lavfrekvent støj i grafentransistorer, udvikling af den første storarealmetode til kvalitetskontrol af grafen og demonstration af den første selektive gassensor implementeret med uberørt grafen.
Arbejdet med termisk styring af GaN-transistorer med grafendyner blev støttet af Office of Naval Research. Balandins forskning i grafens termiske egenskaber blev finansieret af Semiconductor Research Corporation og Defense Advanced Research Project Agency.