Арсенид бора: прорывная тепловая подложка для высокомощной электроники

Новые подложки обещают superiore управление теплом по сравнению с сегодняшними ведущими материалами в высокоплотных по мощности устройствах.

Тепловое управление быстро стало одной из самых критических проблем для электроинженеров. По мере роста плотности мощности электроники растет и выделяемое тепло. Поддержание надежной операции требует материалов, способных эффективно извлекать и рассеивать эту термическую энергию, защищая чувствительные компоненты и поддерживая пиковую производительность.

Производители высокомощных устройств обычно полагаются на алмазные или карбид кремния подложки для отвода тепла от power-dense полупроводников вроде транзисторов. Недавние исследования идентифицировали новый материал, который может отводить тепло от горячих точек с заметно большей эффективностью, потенциально давая осязаемые приросты в производительности устройств и энергосбережении.

Что superior тепловое управление значит для индустрии power electronics

По мере уменьшения размеров транзисторов до нанометрового масштаба производители могут упаковывать больше транзисторов на кристалл, повышая производительность, но также генерируя существенное тепло. Без надежного теплового управления эти чипы могут перегреваться, троттлить и страдать от потерь надежности. Со временем термический стресс может даже спровоцировать преждевременный отказ.

Аналитики отрасли предупреждают, что пределы закона Мура — исторического тренда удвоения количества транзисторов каждые два года — сжимаются в основном из-за растущих требований к тепловому управлению.

Тепловая подложка, превосходящая текущие state-of-the-art материалы, может помочь индустрии поддерживать импульс закона Мура, держа рост вычислительной мощности на пути.

Арсенид бора emerge как многообещающая тепловая подложка для полупроводников

В 2018 году исследователи из UCLA и Irvine Materials Research Institute, под руководством ассоциированного профессора Yongjie Hu, произвели defect-free бора арсенид (BAs) в своей лаборатории. Их работа продемонстрировала, что BAs превосходно извлекает и рассеивает тепло по сравнению с конвенциональными полупроводниковыми материалами.

Впервые команда интегрировала BAs напрямую в галлий-нитрид (GaN) high-electron-mobility транзисторы (HEMT), работа над которой была опубликована в Nature Electronics в июне 2021. Исследование показало, что BAs подложки могут outperforming даже самые передовые тепловые материалы в high-power density настройках.

Более эффективен, чем алмаз или карбид кремния

Для бенчмаркинга производительности исследователи сравнили GaN HEMT, построенные на подложках BAs, алмаза и карбида кремния (SiC). При плотности мощности 15 Вт/мм, температура BAs-based HEMT поднялась от ambient до 188 °F, в то время как алмаз-based устройство достигло 278 °F, а SiC-based пикло около 332 °F.

Эти результаты указывают, что BAs подложки позволяют устройствам работать на более высоких уровнях мощности. Superior производительность исходит из высокой теплопроводности BAs и исключительно низкого термического граничного сопротивления, которые вместе облегчают быстрый отвод тепла.

BAs может достигать теплопроводности до 1300 Вт/(м·К) — все еще ниже алмаза 2300 Вт/(м·К) — но его near-zero граничное сопротивление дает ему решающее преимущество в охлаждении приложений.

Хотя BAs содержит арсен, он становится стабильным и нетоксичным при включении в соединения вроде арсенида бора, как отметил Dr. Bing Lv из University of Texas at Dallas, который также пионерил синтез высокопure BAs для использования как подложка.

Следовательно, BAs считается безопасным для high-performance электроники, соответствуя профилю безопасности SiC и алмаза. Более того, BAs может быть синтезирован и обработан при более низкой стоимости, снижая барьеры для индустриальной адопции.

Тем не менее, дальнейшие исследования необходимы для полной характеристики электронных свойств BAs и подтверждения долгосрочной надежности перед широким внедрением. Если последующие исследования продолжат валидировать эти находки, арсенид бора может стать cornerstone материалом для next-generation электроники.