Fortschrittliches Wärmemanagement-Material verbessert Computer-Kühlung und Leistung

Computerprozessoren sind im Nanometerbereich geschrumpft, mit Milliarden Transistoren auf einem einzigen Chip. Während die erhöhte Transistorzahl Computer schneller und leistungsfähiger macht, entstehen auch mehr Hotspots in extrem verdichtetem Raum. Ohne effiziente Wärmeableitung während des Betriebs verlangsamen sich Prozessoren und liefern unzuverlässiges, ineffizientes Computing. Zudem erfordern die hochkonzentrierte Hitze und steigenden Temperaturen zusätzlichen Energieaufwand zur Überhitzungsvermeidung.

Ein ultrahochwertiges Wärmemanagement-Material – defektfreies Borarsenid – wurde entwickelt, das Wärme effektiver ableitet als andere bekannte Metall- oder Halbleitermaterialien wie Diamant und Siliziumkarbid. Die Forschenden integrierten das Material in Computerchips mit modernsten Wide-Band-Gap-Transistoren aus Galliumnitrid, sogenannten High-Electron-Mobility Transistors (HEMTs).

Bei Betrieb nahe der Maximalkapazität zeigten Chips mit Borarsenid als Wärmeverteiler einen maximalen Temperaturanstieg von Raumtemperatur auf knapp 87 °C (188 °F). Das ist deutlich niedriger als bei Chips mit Diamant (ca. 137 °C / 278 °F) oder Siliziumkarbid (ca. 167 °C / 332 °F).

Diese Ergebnisse zeigen eindeutig, dass Borarsenid-Geräte deutlich höhere Betriebsleistungen aufrechterhalten können als Prozessoren mit traditionellen Wärmemanagement-Materialien. Borarsenid ist ideal für Wärmemanagement, da es nicht nur exzellente Wärmeleitfähigkeit aufweist, sondern auch geringen Wärmewiderstand an Grenzflächen. Wenn Wärme von einem Material in ein anderes übergeht, gibt es typischerweise eine Verlangsamung. Borarsenid hat sehr geringen thermischen Grenzflächenwiderstand.

Das Team hat auch Borphosphid als weiteren hervorragenden Wärmeverteiler-Kandidaten entwickelt. In ihren Experimenten illustrierten die Forschenden zunächst den Weg zum Aufbau einer Halbleiterstruktur mit Borarsenid und integrierten das Material dann in ein HEMT-Chip-Design.