石墨烯「涼被」有助於電晶體散熱

高功率氮化鎵（GaN）電晶體因容易過熱而令人詬病，最近美國科學家研發出一種由石墨及石墨烯（graphene）製成的「排熱被」，能夠有效降溫而解決此問題。這個由碳材料所組成的補丁結構覆蓋物（patchwork structures of coating）能降低電晶體內熱點的溫度達 20°C 之多，並因此讓元件使用壽命提延長 10 倍。

氮化鎵是高亮度發光二極體常採用的半導體材料，常見於交通號誌與固態照明等用途中。此材料尤其適用於高功率高頻率通訊元件以及紫光雷射二極體。自從於 2006 年商業化生產後，氮化鎵半導體因其高效率與大操作電壓亦已使用於許多無線應用當中。對汽車工業而言，氮化鎵元件同時也是引人注目的高功率電子元件。

然而，因為氮化鎵元件常會發生過熱的現象，尤其是在高功率與大電壓下操作時。過多的廢熱意味著氮化鎵的元件效能會隨著使用時間下降，最後甚至會導致元件故障，而氮化鎵元件的市場佔有率也因此受到限制。要避免這個問題，電晶體通道（即為元件主動區）附近產生的熱需要被快速有效地移除。

雖然已有數種散熱管理方案被提出，譬如覆晶封裝（flip-chip bonding）技術及複合基板的採用等，此燙手問題仍舊未能完全解決。最近加州大學河濱分校的 Alexander Balandin 團隊發展出一種不尋常的對策，他們以石墨和石墨烯製作「被子」（quilt）覆蓋於元件上方，結果大幅降低元件溫度。這是因為石墨及石墨烯皆為優良熱導體，能攜帶走多餘熱量，達到散熱功能。Balandin 表示，不同於金屬材料，少層石墨烯薄膜即使在厚度僅數奈米時，依舊能保有絕佳熱導性質，因此非常適合用來製作橫向散熱片及內部連線。

研究人員以微拉曼光譜（micro-Raman spectroscopy）進行監測，發現高功率操作下的氮化鎵電晶體熱點溫度可降低達 20°C 之多，相當於能延長元件使用壽命十倍並增進元件的整體可靠度。此外，石墨烯薄片也可使用於氮化鎵基板的熱介面材料中作為填充物，有助於整體晶片廢熱的移除。詳見 Nature Communications｜DOI:10.1038/ncomms1828。

譯者：翁任賢（成功大學物理系）
責任編輯：劉家銘
原文網址：Graphene ‘quilts’ cool down transistors—nanotechweb.org [2012-05-28]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-08-12]