新しい材料は、ハイパワーデバイスを冷却する可能性があります

新しい基板は、高出力密度のアプリケーションでは、最先端の熱管理材料よりも効果的である可能性があります。

熱管理は、すぐに電気技師が直面する最も重要な問題の1つになりました。電子機器の電力密度が増加するにつれて、それらが生成する熱エネルギーの量も増加します。高性能には、この熱を吸い込んで放散し、敏感な電子部品への損傷を防ぎ、それらが効率的に動作することを保証できる材料が必要です。

通常、高電力密度の電子機器のメーカーは、トランジスタなどの半導体によって生成される熱を管理するために、ダイヤモンドや炭化ケイ素などの基板を使用します。現在、研究者は、ホットスポットからはるかに効果的に熱を奪う新しい材料を発見しました。実際には、この資料は、電子機器メーカーがデバイスのパフォーマンスとエネルギー効率の顕著な改善を確保するのに役立つ可能性があります。これにより、より高速で安価な電子機器の継続的な開発が保証される可能性があります。

パワーエレクトロニクス業界にとってより優れた熱管理の意味

トランジスタの形状をナノメートルスケールに縮小する場合、メーカーは、パフォーマンスを向上させるだけでなく、大量の熱を発生させるトランジスタ密度の高いチップを提供できます。ある種の熱管理システムがないと、これらのコンピュータチップは過熱し、速度が低下し、信頼性が低下します。熱応力も時間の経過とともにそれらを損傷し、早期の故障につながる可能性があります。

エレクトロニクス業界のオブザーバーは、業界はムーアの法則の終焉に備える必要があると示唆しています – トランジスタ数は2年ごとに2倍になる傾向があります。これは主に、熱管理が電子エンジニアにもたらす課題が増えているためです。

最先端の材料よりもはるかに優れた性能を提供する熱基板は、エレクトロニクス業界が理論上のムーアの法則の向上に追いつくことを保証し、過去数十年にわたって期待される処理能力の成長を継続します。

ボロンヒ素が半導体の潜在的な熱基板として出現

2018年、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）とIrvine Materials Research Instituteの研究者は、Hu Yongjie准教授が率い、研究室で欠陥のないホウ素ヒ素（BA）を開発しました。彼らの調査結果は、熱の吸引と放散において、従来の半導体材料よりもはるかに効果的であると判断しました。

現在、研究チームは、BAを最先端の高出力窒化ガリウム（GaN）ベースの高電子移動度トランジスタ（HEMT）に直接統合することにより、BAの実用的な有効性を初めて示しました。 2021年6月にNatureElectronicsで公開されたチームの調査結果は、これらの基板が高出力密度アプリケーションで最先端の熱管理材料よりも効果的である方法を示しました。

ダイヤモンドや炭化ケイ素よりも効果的

BAを備えたGaNHEMTの熱管理性能を評価するために、研究チームはこれらの構造を、ダイヤモンドと炭化ケイ素（SiC）の2つの従来の熱基板を備えたGaNHEMTと比較しました。

15ワット/ミリメートルの電力密度で、ヒ素ホウ素基板を使用したGaN HEMTは、室温から最大188Fまで最大の熱増加を示しました。ダイヤモンドを使用したGaNHEMTは、最大278 Fまで上昇し、炭化ケイ素を使用したHEMTは最大で上昇しました。基板は両方とも約332Fまで成長しました。

チームによると、結果は、BAs基板を備えたデバイスが、従来の基板を備えたデバイスよりもはるかに高い動作電力を維持できることを示しています。研究者らは、BA基板の性能が向上したのは、材料の高い熱伝導率と低い熱境界抵抗によるものだと考えています。材料の抵抗が低いほど、熱を取り入れて放散しやすくなり、熱管理能力の向上に役立ちます。

BAの熱伝導率は、ダイヤモンドが提供する約2,300 W /（m・K）と比較して、1メートルケルビンあたり1,300ワット（W /（m・K））に達する可能性があります。熱伝導率が高いほど優れていますが、熱境界抵抗が非常に低いということは、この材料が半導体の冷却においてより優れた性能を発揮できることを意味します。

Bing Lv博士によると、BAにはヒ素が含まれていますが、ヒ素はホウ素ヒ素などの化合物に組み込まれると安定して無毒になります。 Lvは、テキサス大学ダラス校に本拠を置く物理学の教授兼研究者であり、熱管理のための砒素ホウ素の可能性を探求し、基質として使用するのに十分純粋な砒素ホウ素を合成する最初の研究グループの1つを率いています。

その結果、BAは、高性能電子機器で炭化ケイ素やダイヤモンドと同じくらい安全に使用できると考えられています。さらに、BAは比較的安価に合成および処理できるため、製造コストが材料の採用を妨げることはありません。

それでも、さらなる研究が必要になるでしょう。エンジニアがBAのような新しい材料に取り組む前に、材料の電子特性を完全に理解し、仕様どおりに機能することを確認する必要があります。それでも、研究が材料の有効性を実証し続ける場合、砒素ホウ素は近い将来、電子機器に大きな影響を与える可能性があります。