hBN晶体管上的石墨烯显示出显着的冷却性能

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来自法国巴黎ENS物理系Pierre Aigrain实验室的研究人员发现了一种新的冷却机制,用于将石墨烯沉积在氮化硼上制成的电子元件。据报道,这种机制的效率使得该团队能够在传导定律的内在极限下达到电强度。

ENS石墨烯晶体管结果图像氮化硼晶体管上石墨烯的电流 - 电压(左)和温度 - 电压(右)特性。在齐纳 - 克莱因隧道传输方案中,通过调制电流作为栅极电压的函数,可以看到晶体管效应。

散热对于防止电子元件的劣化或破坏至关重要。物理定律规定,增加芯片组上元件的密度意味着增加耗散,从而增加热量。如今,随着2D材料器件的进步,这个问题变得特别重要,因为元件需要是一个原子厚度。通过生产沉积在氮化硼基板上的石墨烯基晶体管,该团队展示了一种新的冷却机制,其效率比基本热扩散高10倍。这种利用材料的二维性质的新机制打开了石墨烯片和基板之间的“热桥”。

研究人员已经证明了这种机制的有效性,即施加石墨烯水平的电流水平仍未开发,直至材料的固有极限并且没有任何器件退化。该结果是朝着基于石墨烯的高频电子晶体管的发展迈出的重要一步。

为了进行这个实验,物理学家首先制作了一个基于石墨烯的晶体管。为此,他们将石墨烯沉积在几十纳米厚的大氮化硼晶体上,该氮化硼晶体本身沉积在用作恒温器的金板上。然后,他们以增加的电强度操作该晶体管,并测量晶体管沟道中的电子温度和晶体的温度。电子温度是从电流的高频波动的测量推断出来的。通过拉曼光谱测量氮化硼晶体的温度。

他们的第一个惊喜是观察到只有电子加热,从而节省了材料的晶体结构。然后研究人员观察到超过电压阈值的超高效电子冷却机制的点火。他们通过氮化硼层的介电各向异性解释了这种现象。这种各向异性赋予这种绝缘体显着的特性,即具有称为双曲极化的混合光振动模式,其在材料的厚度中以大多数其他绝缘体禁止的方式传播。这些“双曲线”模式在石墨烯和后电极之间打开了一个真正的热桥,保证冷却效率比单纯的热扩散效率高10倍。

该团队已经证明,当晶体管进入齐纳 - 克莱因体系时,这种机制的效率增加了十倍,这是在高电子迁移率石墨烯中非常强的电场下获得的。在这种对高频放大应用特别感兴趣的新方案中,电子直接从价带泵浦到隧道导带。在这些条件下,它们最佳地耦合到双曲线模式,允许热量直接传递到基板而不损坏石墨烯网络。

该团队报告已经获得了各种厚度的hBN和单层,双层和三层石墨烯的结果,并且它们与高频功率晶体管和光电子器件非常相关。


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