Nieuwe materialen kunnen krachtige apparaten koelen

Nieuwe substraten kunnen effectiever zijn dan state-of-the- kunst materialen voor thermisch beheer in toepassingen met een hoge vermogensdichtheid.

Thermisch beheer is snel een van de belangrijkste problemen geworden waarmee elektrotechnici worden geconfronteerd. Naarmate de vermogensdichtheid van elektronica is toegenomen, neemt ook de hoeveelheid thermische energie die ze genereren toe. Hoge prestaties vereisen materialen die deze warmte kunnen aanzuigen en afvoeren, om schade aan gevoelige elektronische componenten te voorkomen en ervoor te zorgen dat ze efficiënt werken.

Meestal gebruiken fabrikanten van elektronica met een hoge vermogensdichtheid substraten zoals diamant of siliciumcarbide om de warmte te beheren die wordt gegenereerd door halfgeleiders zoals transistors. Nu hebben onderzoekers een nieuw materiaal ontdekt dat veel effectiever warmte onttrekt aan hotspots. In de praktijk kan dit materiaal elektronicafabrikanten helpen om merkbare verbeteringen in apparaatprestaties en energie-efficiëntie te realiseren. Het kan zorgen voor de verdere ontwikkeling van snellere en goedkopere elektronische apparaten.

Wat beter thermisch beheer betekent voor de vermogenselektronica-industrie

Door transistorgeometrieën te verkleinen tot nanometerschalen, kunnen fabrikanten chips aanbieden met een hoge transistordichtheid die de prestaties verbeteren, maar ook aanzienlijke hoeveelheden warmte genereren. Zonder een soort thermisch beheersysteem zullen deze computerchips oververhit raken, vertragen en minder betrouwbaar worden. Thermische stress kan ze na verloop van tijd ook beschadigen, wat resulteert in voortijdig falen.

Waarnemers in de elektronica-industrie hebben gesuggereerd dat de industrie zich moet voorbereiden op het einde van de wet van Moore – de neiging om het aantal transistoren om de twee jaar te verdubbelen. Dat komt voornamelijk door de groeiende uitdaging die warmtebeheer met zich meebrengt voor elektronische ingenieurs.

Een thermisch substraat dat veel betere prestaties biedt dan geavanceerde materialen, zou ervoor kunnen zorgen dat de elektronica-industrie gelijke tred houdt met de theoretische voordelen van de wet van Moore, waardoor de groei in verwerkingskracht die we de afgelopen decennia zijn gaan verwachten, wordt voortgezet.

Boronarsenide komt naar voren als potentieel thermisch substraat voor halfgeleiders

In 2018 ontwikkelden onderzoekers van de University of California Los Angeles (UCLA) en Irvine Materials Research Institute, onder leiding van universitair hoofddocent Yongjie Hu, in hun laboratorium defectvrij boorarsenide (BA). Hun bevindingen wezen uit dat het veel effectiever was dan conventionele halfgeleidermaterialen bij het opnemen en afvoeren van warmte.

Nu heeft het onderzoeksteam voor het eerst de praktische effectiviteit van BA aangetoond door het rechtstreeks te integreren in geavanceerde, op galliumnitride (GaN) gebaseerde high-elektronmobiliteitstransistoren (HEMT's). De bevindingen van het team, gepubliceerd in juni 2021 in Nature Electronics, toonden aan hoe deze substraten effectiever kunnen zijn dan ultramoderne materialen voor thermisch beheer in toepassingen met hoge vermogensdichtheid.

Effectiever dan diamant of siliciumcarbide

Om de thermische beheerprestaties van GaN HEMT's met BA's te evalueren, vergeleek het onderzoeksteam deze structuren met GaN HEMT's met twee conventionele thermische substraten, diamant en siliciumcarbide (SiC).

Bij een vermogensdichtheid van 15 watt per millimeter zag de GaN HEMT met een boorarsenidesubstraat een maximale warmtetoename van kamertemperatuur tot 188 F. De GaN HEMT met diamantzaag-escalaties tot 278 F, en de HEMT met een siliciumcarbide substraat zagen beide groei tot ongeveer 332 F.

Volgens het team tonen de resultaten aan dat apparaten met een BAs-substraat een veel hoger bedrijfsvermogen kunnen aanhouden dan apparaten met conventionele substraten. De onderzoekers schreven de verbeterde prestaties van het BAs-substraat toe aan de hoge thermische geleidbaarheid van het materiaal en de lage thermische grensweerstand. Hoe lager de weerstand van een materiaal, hoe gemakkelijker het warmte zal opnemen en afvoeren, wat bijdraagt ​​aan een beter thermisch beheer.

De thermische geleidbaarheid van BA's kan oplopen tot 1.300 watt per meter-kelvin (W/(m·K)), vergeleken met de ongeveer 2.300 W/(m·K) die diamant biedt. Een hogere thermische geleidbaarheid is beter, maar een extreem lage thermische grensweerstand betekent dat het materiaal betere prestaties kan leveren bij het koelen van halfgeleiders.

Hoewel BA's arseen bevatten, wordt arseen stabiel en niet-toxisch wanneer het wordt opgenomen in verbindingen zoals boorarsenide, volgens Dr. Bing Lv. Lv is een natuurkundeprofessor en onderzoeker aan de Universiteit van Texas in Dallas, die ook het potentieel van boorarsenide voor thermisch beheer heeft onderzocht en een van de eerste onderzoeksgroepen leidde die boorarsenide synthetiseerde die zuiver genoeg was om als substraat te gebruiken.

Als gevolg hiervan worden BA's als veilig beschouwd om te gebruiken als siliciumcarbide of diamant in hoogwaardige elektronica. Bovendien kunnen BA's ook relatief goedkoop worden gesynthetiseerd en verwerkt, dus de fabricagekosten mogen geen belemmering vormen voor de acceptatie van het materiaal.

Toch zal meer onderzoek nodig zijn. Voordat ingenieurs zich kunnen committeren aan een nieuw materiaal zoals BA's, moeten ze de elektronische eigenschappen van het materiaal volledig begrijpen en ervoor zorgen dat ze voldoen aan de specificaties. Toch is het waarschijnlijk dat als onderzoek de effectiviteit van het materiaal blijft aantonen, boorarsenide in de nabije toekomst een grote impact op de elektronica kan hebben.