Un gruppo di ricercatori dell'Università della California, Il Riverside Bourns College of Engineering ha sviluppato una tecnica per mantenere fresco un materiale semiconduttore utilizzato in qualsiasi cosa, dai semafori alle auto elettriche.
Nitruro di gallio (GaN), un materiale semiconduttore utilizzato in piena luce dagli anni '90, viene utilizzato nelle applicazioni wireless grazie alla sua elevata efficienza e al funzionamento ad alta tensione. Però, le applicazioni e la quota di mercato dell'elettronica GaN sono limitate perché è difficile rimuovere il calore da esse.
Ciò potrebbe cambiare a causa di una tecnica sviluppata dal gruppo di ricerca Nano-Device Laboratory guidato da Alexander Balandin, professore di ingegneria elettrica e presidente fondatore del programma di scienza e ingegneria dei materiali.
Il gruppo di ricerca ha dimostrato che i punti caldi nei transistor GaN possono essere abbassati fino a 20 gradi Celsius attraverso l'introduzione di canali alternativi di fuga di calore implementati con multistrati di grafene, che sono ottimi conduttori di calore. La riduzione della temperatura si traduce in un aumento della durata del dispositivo di un fattore 10.
"Questo rappresenta un cambiamento trasformativo nella gestione termica, " ha detto Balandin.
Il nuovo approccio alla gestione termica dell'elettronica di potenza con il grafene è stato delineato in un documento "Trapunte in grafene per la gestione termica dei transistor GaN ad alta potenza" pubblicato l'8 maggio in Comunicazioni sulla natura .
I transistor GaN sono stati offerti in commercio dal 2006. Il problema con loro, come tutti i dispositivi operativi ad alta potenza, è una quantità significativa di calore dissipato, che deve essere rimosso in modo rapido ed efficiente. Sono state tentate varie soluzioni di gestione termica come l'incollaggio flip-chip o substrati compositi. Però, le applicazioni sono ancora limitate a causa dell'aumento della temperatura dovuto al calore dissipato.
La svolta nella gestione termica dei transistor di potenza GaN è stata raggiunta da Balandin e da tre dei suoi studenti laureati in ingegneria elettrica:Guanxiong Liu, Zhong Yan, entrambi Ph.D. candidati, e Javed Khan, che ha conseguito il dottorato di ricerca e ha iniziato a lavorare presso Intel Corporation quest'anno.
Balandin – destinatario del premio IEEE Nanotechnology Pioneer Award per il 2011 – ha precedentemente scoperto che il grafene è un eccellente conduttore di calore. I film di grafene a pochi strati conservano le loro eccellenti proprietà termiche anche quando il loro spessore è di pochi nanometri, che è diverso da pellicole metalliche o semiconduttori. Quest'ultimo li rende ottimi candidati per applicazioni come diffusori di calore laterali e interconnessioni.
I ricercatori del gruppo Balandin hanno progettato e costruito "trapunte" di grafene-grafite sopra i transistor GaN. La funzione delle trapunte in grafene-grafite era quella di rimuovere e diffondere il calore dai punti caldi, l'opposto di quello che ci si aspetta dalle trapunte convenzionali.
Utilizzando la termometria spettroscopica micro-Raman, i ricercatori hanno dimostrato che la temperatura dei punti caldi può essere abbassata di ben 20 gradi Celsius nei transistor che funzionano a grandi livelli di potenza.
Le simulazioni al computer eseguite dal gruppo hanno suggerito che le trapunte in grafene possono funzionare ancora meglio nei dispositivi GaN su substrati termicamente più resistenti.
Il gruppo Balandin è anche noto nella comunità del grafene per le sue indagini sul rumore a bassa frequenza nei transistor al grafene, sviluppo del primo metodo ad ampia area per il controllo della qualità del grafene e dimostrazione del primo sensore di gas selettivo implementato con grafene puro.
Il lavoro sulla gestione termica dei transistor GaN con trapunte in grafene è stato supportato dall'Office of Naval Research. La ricerca di Balandin sulle proprietà termiche del grafene è stata finanziata dalla Semiconductor Research Corporation e dalla Defense Advanced Research Project Agency.
