Un grupo de investigadores de la Universidad de California, Riverside Bourns College of Engineering ha desarrollado una técnica para mantener fresco un material semiconductor que se utiliza en todo, desde semáforos hasta coches eléctricos.

Nitruro de galio (GaN), un material semiconductor utilizado en luces brillantes desde la década de 1990, se utiliza en aplicaciones inalámbricas debido a su alta eficiencia y funcionamiento de alto voltaje. Sin embargo, las aplicaciones y la cuota de mercado de la electrónica de GaN son limitadas porque es difícil quitarles el calor.

Eso podría cambiar debido a una técnica desarrollada por el grupo de investigación del Laboratorio de Nanodispositivos dirigido por Alexander Balandin, profesor de ingeniería eléctrica y presidente fundador del programa de ciencia e ingeniería de materiales.

El grupo de investigación demostró que los puntos calientes en los transistores de GaN se pueden reducir hasta en 20 grados Celsius mediante la introducción de canales alternativos de escape de calor implementados con multicapas de grafeno. que son excelentes conductores de calor. La reducción de temperatura se traduce en un aumento de la vida útil del dispositivo en un factor de 10.

"Esto representa un cambio transformador en la gestión térmica, "Dijo Balandin.

El nuevo enfoque para la gestión térmica de la electrónica de potencia con grafeno se describió en un documento "Edredones de grafeno para la gestión térmica de transistores de GaN de alta potencia" que se publicó el 8 de mayo en Comunicaciones de la naturaleza .

Los transistores GaN se ofrecen comercialmente desde 2006. El problema con ellos, como todos los dispositivos operativos de alta potencia, es una cantidad significativa de calor disipado, que debe eliminarse rápida y eficazmente. Se han intentado varias soluciones de gestión térmica, como la unión de chips giratorios o sustratos compuestos. Sin embargo, las aplicaciones aún han sido limitadas debido a los aumentos de temperatura debido al calor disipado.

El gran avance en la gestión térmica de los transistores de potencia de GaN fue logrado por Balandin y tres de sus estudiantes graduados de ingeniería eléctrica:Guanxiong Liu, Zhong Yan, ambos Ph.D. candidatos, y Javed Khan, quien obtuvo su Ph.D. y comenzó a trabajar en Intel Corporation este año.

Balandin, que recibió el premio IEEE Nanotechnology Pioneer Award en 2011, descubrió anteriormente que el grafeno es un excelente conductor de calor. Las películas de grafeno de pocas capas conservan sus excelentes propiedades térmicas incluso cuando su espesor es de solo unos pocos nanómetros. que es diferente a las películas metálicas o semiconductoras. Esto último los convierte en excelentes candidatos para aplicaciones como esparcidores de calor laterales e interconexiones.

Los investigadores del grupo Balandin diseñaron y construyeron "edredones" de grafeno y grafito sobre transistores de GaN. La función de las colchas de grafeno-grafito era eliminar y difundir el calor de los puntos calientes, lo contrario de lo que se espera de las colchas convencionales.

Usando termometría espectroscópica micro-Raman, los investigadores demostraron que la temperatura de los puntos calientes se puede reducir hasta en 20 grados Celsius en transistores que operan a grandes niveles de potencia.

Las simulaciones por computadora realizadas por el grupo sugirieron que las colchas de grafeno pueden funcionar incluso mejor en dispositivos de GaN en sustratos más térmicamente resistivos.

El grupo Balandin también es conocido en la comunidad del grafeno por su investigación del ruido de baja frecuencia en transistores de grafeno. desarrollo del primer método de gran superficie para el control de calidad del grafeno y demostración del primer sensor de gas selectivo implementado con grafeno prístino.

El trabajo sobre la gestión térmica de los transistores de GaN con edredones de grafeno fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval. La investigación de Balandin sobre las propiedades térmicas del grafeno fue financiada por la Semiconductor Research Corporation y la Defense Advanced Research Project Agency.