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无缺陷砷化硼:新型半导体材料,更好的热管理效应

[发布时间:2018-07-27 16:17:13 ][阅读次数:571次]

加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)的工程师为了解决降低计算机芯片性能的“热聚合点”问题,开发出一种新的半导体材料:无缺陷砷化硼。这种材料与其他已知的半导体或金属材料相比能更能高效地吸取和散除热量。

该材料可能会彻底改变计算机处理器和其他电子产品的热管理设计,也会提高如LED这种基于光效应设备的热管理效率。

UCLA机械和航天工程系的胡永杰(音译,Yongjie Hu)教授主持了这项研究工作,并将最新研究成果发表在近期的“科学”杂志上。

计算机处理器持续缩小到纳米级别后,一个芯片上可能集成有数十亿个晶体管。摩尔定律描述了芯片尺寸缩小的一般规律。摩尔定律预测,每两年芯片上的晶体管数量将翻一番。较小的新一代芯片有助于使计算机更快、更强大,并能够完成更多的工作。但是大的工作量也意味着芯片会产生更多的热量。

为了优化电子产品的性能,热管理技术的重要性日益增加。电子产品出现高温问题的原因有两个:首先,随着晶体管体积的缩小,在相同的尺寸范围内将产生更多的热量。这些热量聚集在一起会使芯片温度升高,进而降低处理器的运行速度。在芯片热量集中严重的“热聚合点”上温度飙升更加迅速,严重降低处理器的性能。其次,为保持处理器的低温性能,常常要消耗大量的额外能量才能完成处理器的散热工作。如果CPU一开始就没有那么热,那么它们的工作速度可以更快,并且散热消耗的能量也会减少。

UCLA发表的这篇文章总结了胡永杰和他的学生多年的研究结果,其中包括材料设计、材料制作、模型预测和温度的精确测量等。

UCLA研究团队制造的这种世界首例无缺陷砷化硼材料,其导热系数创历史记录,比目前使用的碳化硅和铜等材料高三倍多,因此,可以很快地带走原来聚集在热量集中区域的热量。

胡永杰表示:“这种材料可以大大提高芯片的性能,减少从小型产品到最先进的计算机数据中心等各类电子设备的能源需求。它优良的半导体特性和经过证明的导热能力,决定了这种材料具有很好的应用潜力,目前的芯片制造工艺就可以大规模使用它。它可以取代当前最先进的计算机半导体材料,并彻底改变电子行业。”

该研究的其他作者是UCLA胡永杰研究小组的研究生:康宗生(音译,Joonsang Kang)、李曼(音译,Man Li)、吴欢(音译,Huan Wu)和Huuduy Nguyen。

这项研究除了对电子和光子学设备产生重大影响外,还总结出一种关于热量在材料中传递的物理基础的新见解。

胡永杰总结说:“团队的研究工作取得成功证明了实验和理论结合在新材料研发工作中的巨大作用,我相信这种方法将继续推动能源、电子和光子学等众多领域的科学前沿向前发展。

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