Een groep onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside Bourns College of Engineering heeft een techniek ontwikkeld om een ​​halfgeleidermateriaal dat in alles wordt gebruikt, van verkeerslichten tot elektrische auto's, koel te houden.

Galliumnitride (GaN), een halfgeleidermateriaal dat sinds de jaren negentig in felle lichten wordt gebruikt, wordt gebruikt in draadloze toepassingen vanwege zijn hoge efficiëntie en hoogspanningswerking. Echter, de toepassingen en het marktaandeel van GaN-elektronica zijn beperkt omdat het moeilijk is om er warmte uit te halen.

Dat zou kunnen veranderen door een techniek die is ontwikkeld door de onderzoeksgroep Nano-Device Laboratory onder leiding van Alexander Balandin, hoogleraar elektrotechniek en medeoprichter van het programma Materials Science and Engineering.

De onderzoeksgroep toonde aan dat hotspots in GaN-transistors met maar liefst 20 graden Celsius kunnen worden verlaagd door de introductie van alternatieve warmteafvoerkanalen die zijn geïmplementeerd met meerlagen van grafeen, die uitstekende warmtegeleiders zijn. De temperatuurverlaging vertaalt zich in een verlenging van de levensduur van het apparaat met een factor 10.

"Dit vertegenwoordigt een transformatieve verandering in thermisch beheer, ' zei Balandin.

De nieuwe benadering van thermisch beheer van vermogenselektronica met grafeen werd uiteengezet in een paper "Graphene quilts for thermal management of high-power GaN-transistors" die op 8 mei werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

GaN-transistors worden sinds 2006 commercieel aangeboden. Het probleem met hen, zoals alle apparaten met hoog vermogen, is een aanzienlijke hoeveelheid gedissipeerde warmte, die snel en efficiënt moet worden verwijderd. Er zijn verschillende oplossingen voor thermisch beheer geprobeerd, zoals flip-chip-binding of composietsubstraten. Echter, toepassingen zijn nog steeds beperkt vanwege temperatuurstijgingen als gevolg van afgevoerde warmte.

De doorbraak in het thermisch beheer van GaN-vermogenstransistoren werd bereikt door Balandin en drie van zijn afgestudeerde studenten elektrotechniek:Guanxiong Liu, Zhong Yan, zowel Ph.D. kandidaten, en Javed Khan, die zijn Ph.D. en begon dit jaar bij Intel Corporation.

Balandin – ontvanger van de IEEE Nanotechnology Pioneer Award voor 2011 – heeft eerder ontdekt dat grafeen een uitstekende warmtegeleider is. Grafeenfilms met weinig lagen behouden hun uitstekende thermische eigenschappen, zelfs als hun dikte slechts enkele nanometers is, wat anders is dan metaal- of halfgeleiderfilms. Dit laatste maakt ze uitstekende kandidaten voor toepassingen als laterale warmteverspreiders en interconnects.

De onderzoekers van de Balandin-groep ontwierpen en bouwden grafeen-grafiet "quilts" bovenop GaN-transistors. De functie van de grafeen-grafiet-quilts was om de warmte van de hotspots te verwijderen en te verspreiden - het tegenovergestelde van wat je verwacht van de conventionele quilts.

Met behulp van micro-Raman spectroscopische thermometrie toonden de onderzoekers aan dat de temperatuur van de hotspots met maar liefst 20 graden Celsius kan worden verlaagd in transistors die werken op de grote vermogensniveaus.

De computersimulaties die door de groep werden uitgevoerd, suggereerden dat grafeenquilts nog beter kunnen presteren in GaN-apparaten op meer thermisch resistente substraten.

De Balandin-groep is ook bekend in de grafeengemeenschap vanwege hun onderzoek naar laagfrequente ruis in grafeentransistors, ontwikkeling van de eerste grootschalige methode voor kwaliteitscontrole van grafeen en demonstratie van de eerste selectieve gassensor geïmplementeerd met ongerept grafeen.

Het werk aan thermisch beheer van GaN-transistors met grafeenquilts werd ondersteund door het Office of Naval Research. Balandins onderzoek naar de thermische eigenschappen van grafeen werd gefinancierd door de Semiconductor Research Corporation en het Defense Advanced Research Project Agency.