Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование тепловых свойств графеносодержащих пленок, а также разработка технологии их применения для отвода тепла, выделяющегося при работе СВЧ полупроводниковых приборов на основе GaN

Номер контракта: 14.584.21.0001

Руководитель: Каргин Николай Иванович

Должность: Профессор

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
графеносодержащая пленка, теплопроводность, свч транзистор, теплоотвод, дефект

Цель проекта:
Проект направлен на решение проблемы повышения мощности приборов СВЧ электроники на основе нитрида галлия путем снижения температуры в канале транзистора за счет использования графенсодержащего теплоотвода. Целью проекта является исследование тепловых свойств графенсодержащих пленок, а также разработка технологии их применения для отвода тепла, выделяющегося при работе СВЧ полупроводниковых приборов на основе GaN. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI58414X0001

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения работ по проекту будут проведены исследования влияния теплораспределительного слоя на основе графенсодержащей пленки на свойства нитридгаллиевых СВЧ транзисторов.

Основные характеристики экспериментальных образцов графеносодержащих пленок:
- диапазон коэффициента теплопроводности 500÷5000 Вт/(м•К);
- размер зерен графена должен быть не менее 10 мкм;
- процент неграфеновых включений должен быть в диапазоне не более 30%.

Основные характеристики экспериментальных образцов нитридгаллиевых СВЧ транзисторов:
- рабочий диапазон частот 8 ÷ 10 ГГц;
- коэффициент усиления по мощности не менее 9 дБ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основные результаты проекта:
- Технологическая документация экспериментальных образцов СВЧ транзисторов с графеносодержащим теплоотводом.
- Программа и методики экспериментальных исследований статических и динамических характеристик экспериментальных образцов СВЧ транзисторов с графеносодержащим теплоотводом.
- Экспериментальные образцы СВЧ транзисторов с графеносодержащим теплоотводом.

В настоящее время имеются работы, посвященные изучению действия теплового распределителя для электронных приборов в рамках решения уравнения теплопроводности, причем горячие точки обычно моделируются источниками тепла [Yan Z., Liu G., Khan J.M., Balandin A. Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors // Nature Commun. 2012. V. 3. P. 827]. Однако механизм появления горячих точек, а, следовательно, и действия теплового распределителя недостаточно изучены. Это трудно сделать в рамках термодинамической модели, где электронная и решеточная температуры предполагаются равными. Между тем они могут различаться на тысячи градусов. В рамках данного проекта будет проведено детальное изучение процессов при образовании горячих точек и действия на них теплового распределителя в рамках гидродинамической модели, позволяющей найти и электронную температуру. Результатом исследований станет определение наиболее перегретой области в канале GaN транзистора для оптимизации конструкции и параметров тепловых распределителей. На основе проведенных расчетов и экспериментальных исследований будет предложен проект технического задания на выполнение опытно-технологических работ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые нитридгаллиевые транзисторы могут быть использованы в электронной аппаратуре широкого применения: радиолокационные станции, линиях беспроводной связи, трактах базовых станций, системах безопасности и сигнализации и др., предназначенной, в том числе, для эксплуатации в экстремальных условиях эксплуатации (космос, объекты с повышенной радиационной активностью и температурой окружающей среды).
Разрабатываемые технологии формирования СВЧ транзисторов с графеновым теплоотводом позволят производить перспективную отечественную электронную компонентную базу как гражданского, так и специального назначения.
Использование теплоотвода на основе графенсодержащей пленки от рабочей поверхности СВЧ транзистора позволит снизить рабочую температуру прибора и повысить тем самым его производительность и КПД.

Текущие результаты проекта:
Повышение мощности СВЧ транзисторов достигается в том числе за счет снижения температуры в канале прибора. На основе проведенных теоретических исследований установлено, что использование теплораспределительного слоя на рабочей поверхности транзистора позволяет уменьшить температуру горячих точек в канале на 18°С при использовании подложки карбида кремния и на 80°С при использовании подложки сапфира. Установлено, что тепловой распределитель, расположенный в области между затвором и стоком, более эффективно снижает электронную и решеточную температуры за счет отвода тепла от горячей точки. При этом распределитель, расположенный в области между истоком и затвором не оказывает значительного влияния на температуру в канале транзистора.
Установлено, что степень дефектности графенсодержащей пленки должна быть такой, чтобы технология, обеспечивающая ее получение с заданной степенью дефектности, позволяла формировать пленку максимально близко к зоне тепловыделения.
Иностранным партнером установлено, что теплопроводность графенсодержащей пленки слабо зависит от размера зерна и варьируется от 100 до 1000 Вт *м-1*К-1. В результате проведенных теоретических исследований теплопроводности графенсодержащих пленок, показано, что в наибольшей степени теплопроводность снижают анизотропные дефекты, расположенные перпендикулярно тепловому потоку. Анизотропные дефекты, расположенные параллельно тепловому потоку, влияют на коэффициент теплопроводности в гораздо меньшей степени.