Naukowcy z UCLA (University of California – Los Angeles) dokonali integracji innowacyjnego materiału półprzewodnikowego, jakim jest arsenek boru, z chipami komputerowymi wykonanymi z azotku galu. Uzyskiwany laboratoryjnie arsenek boru pozbawiony jest defektów struktury krystalicznej, dzięki czemu wykazuje niezwykłą skuteczność w pobieraniu i rozpraszaniu ciepła. Jest ona znacznie większa niż w przypadku tradycyjnie używanych w elektronice materiałów chłodniczych, takich jak diament czy węglik krzemu. Według profesora Yongjie Hu, który przewodniczył badaniom, arsenek boru ma ogromny potencjał poprawy efektywności urządzeń elektronicznych dużej mocy.
Wyzwania współczesnej elektroniki
W obecnych czasach powstają coraz mniejsze procesory komputerowe, wykorzystujące ogromną liczbę tranzystorów skupionych na bardzo ograniczonej powierzchni. W najmniejszych procesorach odstępy między tranzystorami liczone są w nanometrach. Takie rozmieszczenie umożliwia wysoką wydajność i szybkość obliczeń, jednak niesie ze sobą problem chłodzenia tych wrażliwych elementów. Aby zapobiec spowolnieniu procesorów, należy utrzymywać je w odpowiedniej temperaturze, co powoduje duże zużycie dodatkowej energii.
Zapotrzebowanie na materiały odprowadzające ciepło z układów elektronicznych skłoniło naukowców do poszukiwania substancji o wysokiej przewodności cieplnej (HTC – high-thermal-conductivity). Takie właściwości wykazały półprzewodniki arsenek boru (BA) i fosforek boru (BP). Ich działanie w postaci zintegrowanej z urządzeniami pozostawało jednak niezbadane. Dopiero profesor Hu razem z jego zespołem badawczym wykazali, że możliwa jest heterogeniczna (niejednorodna) integracja tych materiałów z metalami, półprzewodnikami o szerokim paśmie wzbronionym (azotek galu) i tranzystorami o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT).
Eksperyment UCLA
W badaniach wykorzystano chipy z tranzystorami wykonanymi z azotku galu. W części z nich materiał chłodniczy stanowił arsenek boru, w innych diament, a w jeszcze innych węglik krzemu. Zmierzono temperatury poszczególnych urządzeń osiągnięte podczas pracy z wydajnością zbliżoną do maksymalnej. Jak się okazało, chipy wykorzystujące arsenek boru wykazały maksymalny wzrost temperatury do zaledwie ok. 87°C. Tymczasem pozostałe osiągnęły aż 137 stopni w przypadku zastosowania diamentu i 167 dla węglika krzemu.
Jak powiedział prof. Hu, te wyniki są wyraźnym dowodem na to, że urządzenia, w których stosowany jest arsenek boru, mogą osiągnąć znacznie wyższą moc operacyjną, niż te wykorzystujące tradycyjne materiały do dyssypacji ciepła. Arsenek boru jest w tym wypadku idealnym materiałem, nie tylko dlatego, że wykazuje wysoką przewodność cieplną (1300 W/mK, trzykrotnie większą, niż standardowe materiały HTC). Jego opór wnikania, wielkość odpowiedzialna za spowalnianie przekazywania ciepła z jednego ciała do drugiego, jest niski. Przy zastosowaniu BA do chłodzenia elementów z azotku galu współczynnik przenikania ciepła wyniósł 250 MW/m2K. Oznacza to, że przy przekraczaniu granicy między materiałami tranzystora i chłodziwa ciepło przemieszcza się bardzo szybko, zapewniając wysoką efektywność chłodzenia.
Naukowcy z UCLA dokonali też badań efektywności wykorzystania w tym celu fosforku boru. Choć jego przewodność cieplna jest znacznie mniejsza, niż arsenku boru (500 W/mK), to w dalszym ciągu jest ona większa, niż w przypadku standardowo używanych materiałów. Współczynnik przenikania ciepła na powierzchni styku BP z metalami przewyższa ok. 2,5-krotnie wartości uzyskiwane przy użyciu typowych materiałów HTC. Te właściwości czynią także fosforek boru wartościowym materiałem do wykorzystania w chłodzeniu urządzeń elektronicznych.
Nowe możliwości w rozwoju elektroniki
Zespół profesora Hu uznał arsenek boru za odpowiedni materiał do zastosowań w rozpraszaniu ciepła już w 2018 roku. Następnie w warunkach laboratoryjnych uzyskano jego bezdefektową wersję, wykazującą bardzo wysoką przewodność cieplną, po czym zbadano możliwości integracji materiału z urządzeniami elektronicznymi. Wyniki przeprowadzonych doświadczeń otwierają drogę do szerokiego stosowania arsenku boru w elektronice, co poprawi wydajność oraz wspomoże dalszą miniaturyzację urządzeń.
Źródła:
Kang, J.S., Li, M., Wu, H. et al. Integration of boron arsenide cooling substrates into gallium nitride devices. Nat Electron 4, 416–423 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00595-9
https://www.sciencedaily.com/releases/2021/06/210629191730.htm