Onderzoekers vinden een manier om de oververhitting van halfgeleiderapparaten te verminderen

De vraag om de grootte van halfgeleiders te verkleinen in combinatie met het probleem dat de warmte die wordt gegenereerd op de hotspots van de apparaten niet effectief wordt verspreid, heeft een negatieve invloed gehad op de betrouwbaarheid en duurzaamheid van moderne apparaten. Bestaande technologieën voor thermisch beheer zijn niet opgewassen tegen hun taak. De ontdekking van een nieuwe manier om warmte te verspreiden door oppervlaktegolven te gebruiken die worden gegenereerd op de dunne metaalfilms over het substraat, is dus een belangrijke doorbraak.

KAIST kondigde aan dat het onderzoeksteam van professor Bong Jae Lee in de afdeling Werktuigbouwkunde erin geslaagd is om voor het eerst ter wereld een nieuw waargenomen warmteoverdracht te meten die wordt veroorzaakt door “surface plasmon polariton” in een dunne metaalfilm die op een substraat is afgezet.

Surface plasmon polariton (SPP) verwijst naar een oppervlaktegolf die wordt gevormd op het oppervlak van een metaal als gevolg van een sterke interactie tussen het elektromagnetische veld op het grensvlak tussen het diëlektricum en het metaal en de vrije elektronen op het metaaloppervlak en vergelijkbare collectief trillende deeltjes .

Het onderzoeksteam gebruikte SPP’s, oppervlaktegolven die worden gegenereerd op de metaal-diëlektrische interface, om de thermische diffusie in dunne metaalfilms op nanoschaal te verbeteren. Aangezien deze nieuwe warmteoverdrachtsmodus plaatsvindt wanneer een dunne film van metaal op een substraat wordt afgezet, is het zeer bruikbaar in het fabricageproces van apparaten en heeft het het voordeel dat het over een groot gebied kan worden vervaardigd. Het onderzoeksteam toonde aan dat de thermische geleidbaarheid met ongeveer 25% toenam als gevolg van oppervlaktegolven die werden gegenereerd over een 100 nm dikke titanium (Ti) film met een straal van ongeveer 3 cm.

KAIST-professor Bong Jae Lee, die het onderzoek leidde, zei: “De betekenis van dit onderzoek is dat voor het eerst een nieuwe warmteoverdrachtsmodus werd geïdentificeerd die gebruikmaakt van oppervlaktegolven over een dunne metaalfilm op een substraat met lage verwerkingsmoeilijkheden. Het kan worden toegepast als een warmteverspreider op nanoschaal om warmte efficiënt af te voeren in de buurt van de hotspots voor gemakkelijk oververhitte halfgeleiderapparaten. ”

Het resultaat heeft grote implicaties voor de ontwikkeling van hoogwaardige halfgeleiderapparaten in de toekomst, omdat het kan worden toegepast om snel warmte af te voeren op een dunne film op nanoschaal. Met name deze nieuwe warmteoverdrachtsmodus die door het onderzoeksteam is geïdentificeerd, zal naar verwachting het fundamentele probleem van thermisch beheer in halfgeleiderapparaten oplossen, aangezien het een nog effectievere warmteoverdracht op nanoschaaldikte mogelijk maakt, terwijl de thermische geleidbaarheid van de dunne film meestal afneemt als gevolg van de grensverstrooiingseffect.

Deze studie werd online gepubliceerd op 26 april in Fysieke beoordelingsbrieven en werd geselecteerd als suggestie van de redactie.