Un groupe de chercheurs de l'Université de Californie, Le Riverside Bourns College of Engineering a développé une technique pour garder au frais un matériau semi-conducteur utilisé dans tout, des feux de circulation aux voitures électriques.

Nitrure de Gallium (GaN), un matériau semi-conducteur utilisé dans les lumières vives depuis les années 1990, est utilisé dans les applications sans fil en raison de son rendement élevé et de son fonctionnement à haute tension. Cependant, les applications et la part de marché de l'électronique GaN sont limitées car il est difficile d'en évacuer la chaleur.

Cela pourrait changer grâce à une technique développée par le groupe de recherche Nano-Device Laboratory dirigé par Alexander Balandin, professeur de génie électrique et président fondateur du programme de science et génie des matériaux.

Le groupe de recherche a démontré que les points chauds dans les transistors GaN peuvent être abaissés jusqu'à 20 degrés Celsius grâce à l'introduction de canaux alternatifs d'évacuation de la chaleur mis en œuvre avec des multicouches de graphène, qui sont d'excellents conducteurs de chaleur. La baisse de température se traduit par une augmentation de la durée de vie de l'appareil d'un facteur 10.

« Cela représente un changement transformateur dans la gestion thermique, ", a déclaré Balandin.

La nouvelle approche de la gestion thermique de l'électronique de puissance avec du graphène a été décrite dans un article "Quilts de graphène pour la gestion thermique des transistors GaN à haute puissance" publié le 8 mai dans Communication Nature .

Les transistors GaN sont commercialisés depuis 2006. Le problème avec eux, comme tous les appareils d'exploitation à haute puissance, est une quantité importante de chaleur dissipée, qui doit être retiré rapidement et efficacement. Diverses solutions de gestion thermique telles que le flip-chip bonding ou les substrats composites ont été tentées. Cependant, les applications sont encore limitées en raison des augmentations de température dues à la chaleur dissipée.

La percée dans la gestion thermique des transistors de puissance GaN a été réalisée par Balandin et trois de ses étudiants diplômés en génie électrique :Guanxiong Liu, Zhong Yan, les deux Ph.D. candidats, et Javed Khan, qui a obtenu son doctorat. et a commencé à travailler chez Intel Corporation cette année.

Balandin – récipiendaire du prix IEEE Nanotechnology Pioneer Award pour 2011 – a déjà découvert que le graphène est un excellent conducteur de chaleur. Les films de graphène à quelques couches conservent leurs excellentes propriétés thermiques même lorsque leur épaisseur n'est que de quelques nanomètres, ce qui est différent des films métalliques ou semi-conducteurs. Ce dernier en fait d'excellents candidats pour des applications en tant que dissipateurs thermiques latéraux et interconnexions.

Les chercheurs du groupe Balandin ont conçu et construit des « courtepointes » en graphène-graphite sur des transistors GaN. La fonction des courtepointes en graphène-graphite était d'éliminer et de diffuser la chaleur des points chauds - le contraire de ce que vous attendez des courtepointes conventionnelles.

En utilisant la thermométrie spectroscopique micro-Raman, les chercheurs ont démontré que la température des points chauds peut être abaissée jusqu'à 20 degrés Celsius dans les transistors fonctionnant à des niveaux de puissance élevés.

Les simulations informatiques effectuées par le groupe ont suggéré que les courtepointes en graphène peuvent fonctionner encore mieux dans les dispositifs GaN sur des substrats plus résistants thermiquement.

Le groupe Balandin est également connu dans la communauté du graphène pour son étude du bruit basse fréquence dans les transistors au graphène, développement de la première méthode à grande surface pour le contrôle qualité du graphène et démonstration du premier capteur de gaz sélectif mis en œuvre avec du graphène vierge.

Les travaux sur la gestion thermique des transistors GaN avec des courtepointes en graphène ont été soutenus par l'Office of Naval Research. La recherche de Balandin sur les propriétés thermiques du graphène a été financée par la Semiconductor Research Corporation et la Defense Advanced Research Project Agency.