可用石墨烯实现大功率半导体设备大幅降温

据物理学家组织网5月9日（北京时间）报道，美国加州大学河滨分校伯恩斯工程学院的研究人员开发出一种新技术，可借助石墨烯实现大功率半导体设备的大幅降温，解决在交通信号灯和电动汽车中使用的半导体材料散热问题。相关研究报告5月8日发表在《自然·通讯》杂志上。

自上世纪90年代以来，半导体材料氮化镓（GaN）就被用于强光的制造，并因为高效和可耐高电压工作而被用于无线设备中。然而就像所有大功率操作设备一样，氮化镓晶体管会散发出相当多的热量，需要对其快速而有效的移除。科学家已尝试过倒焊芯片和复合基底等多种热量管理途径，但效果都不理想。如何为这些设备降温仍困扰着学界，氮化镓电子工业的市场份额和应用范围也因为难以散热而受到限制。

基于纳米设备实验室开发的新技术，将使这一情况得到改善。研究小组由电子工程学教授亚历山大·巴兰金领导，他们在进行微拉曼光谱温度测量时发现，通过引入由多层石墨烯制成的交替散热通道，能使在高功率运转情况下的氮化镓晶体管中的热点降低20℃，并将相关设备的寿命延长10倍。

巴兰金表示，这代表了热量管理领域的变革性进展。与金属或半导体薄膜不同，多层石墨烯即使在自身厚度仅为数纳米时，也能保持良好的热力性质，这使它们成为了制造侧面导热片和连接线的极佳备选。研究人员在氮化镓晶体管上设计并构建了石墨烯“被子”，使其能从热点处移除和传导热量。计算机模拟则显示，采用热阻更强的基底能使石墨烯“被子”更好地在氮化镓设备上发挥作用。

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大功率LED光源寿命是高压钠灯的4倍以上，耗电仅为白炽灯的十分之一，因此正越来越多地用在景观照明、交通信号灯等领域，但是散热问题一直阻碍着它的迅速普及。一般情况下，LED光源工作时所产生的热量占其消耗总功率的70%左右，热量若无法导出，将会影响产品生命周期、发光效率。热点降低20℃，寿命延长10倍。文中提到的降温新方法着实振奋人心，可以想见，一旦技术成熟并投入使用，城市的夜晚将更加绚烂夺目。