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新的热量模型可以帮助电子设备持续更长的时间

总部位于伊利诺伊大学的工程师团队发现,当前用于预测普通半导体材料中热损失的模型并不适用于所有情况。通过测试使用四种常用方法制造的氮化镓半导体的热性能,研究小组发现某些技术可以生产出性能比其他更好的材料。这种新的理解可以帮助芯片制造商找到更好的散热方法,从而散发导致器件损坏和使用寿命降低的热量。

硅芯片正被推向极限,以满足当今电子设备的需求。氮化镓是另一种半导体材料,更适合用于高电压和高电流应用,例如5G电话,“物联网”设备,机器人技术和自动驾驶汽车所需的那些。研究人员说,氮化镓芯片已经在使用中,但是还没有系统的研究来检查各种形式材料的热性能。他们的发现发表在《应用物理学》杂志上。

研究人员说,氮化镓芯片是通过将氮化镓蒸气沉积在表面上而结晶成固体而制成的。

这项研究的主要作者,电气和计算机工程教授Can Bayram说:“用于生长晶体的表面的组成和原子结构会影响最终产品中的缺陷数量。” “例如,在硅表面上生长的晶体产生的半导体具有许多缺陷-导致较低的热导率和较热的热点-因为硅和氮化镓的原子结构非常不同。”

该团队测试了使用四种技术上最重要的制造技术生长的氮化镓的热导率:氢化物气相外延,高氮化物压力,蓝宝石上的气相沉积和硅上的气相沉积。

为了弄清楚不同的制造技术如何影响氮化镓的热性能,研究小组测量了每种材料的热导率,缺陷密度和杂质浓度。

Bayram说:“利用我们的新数据,我们能够开发出一个模型,该模型描述缺陷如何影响氮化镓半导体的热性能。” “该模型提供了一种使用缺陷数据间接估算样品导热系数的方法,比直接测量导热系数更容易。”

研究小组发现,硅是氮化镓生长中所有表面中最经济的一种,可以生产出四种常见制造方法中缺陷密度最高的晶体。沉积在蓝宝石上可以制成具有更高导热性和更低缺陷密度的更好的晶体,但是这种方法并不经济。Bayram说,氢化物蒸汽外延技术和高氮化物压力技术在热性能和缺陷密度方面可以生产出优质的产品,但是这些工艺非常昂贵。

他说,使用在硅上生长的晶体的氮化镓基芯片可能足以满足消费电子市场的需求,而成本和负担能力是关键。但是,要求更高可靠性的军用级设备将受益于使用更昂贵的工艺制造的芯片。

Bayram说:“我们正在尝试创建一个效率更高的系统,以便从设备中获得更多收益-也许可以持续50年而不是5年。” “了解如何热消散将使我们重新设计系统,以便更好地抵御的热点。这项工作,在I的U.进行完全,规定在技术上重要的镓的热管理的基础的氮化物系半导体装置”。

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