Arsenida Boron: Substrat Termal Terobosan untuk Elektronika Daya Tinggi
Substrat emerging menjanjikan manajemen panas yang lebih unggul dibandingkan bahan terkemuka saat ini dalam perangkat daya padat tinggi.
Manajemen termal dengan cepat menjadi salah satu tantangan paling kritis untuk insinyur listrik. Seiring meningkatnya daya padat elektronika, panas yang dihasilkan juga bertambah. Mempertahankan operasi yang andal memerlukan bahan yang dapat mengekstrak dan멠apasirkan energi termal ini dengan efisien, melindungi komponen sensitif dan mempertahankan performa puncak.
Produsen perangkat daya tinggi biasanya bergantung pada substrat diamond atau silicon carbide untuk menyalurkan panas dari semikonduktor daya padat seperti transistor. Penelitian terbaru telah mengidentifikasi bahan baru yang dapat menarik panas dari hot spot dengan efisiensi yang jauh lebih besar, berpotensi memberikan peningkatan nyata dalam performa perangkat dan penghematan energi.
Apa yang Diartikan oleh Manajemen Termal yang Unggul untuk Industri Elektronika Daya
Seiring menyusutnya dimensi transistor ke skala nanometer, produsen dapat memadat lebih banyak transistor pada sebuah chip, meningkatkan performa tetapi juga menghasilkan panas yang signifikan. Tanpa manajemen termal yang kuat, chip-chip ini dapat terlalu panas, throttle, dan mengalami kerugian keandalan. Seiring waktu, stres termal bahkan dapat memicu kegagalan prematur.
Analis industri memperingatkan bahwa batas Moore’s Law—tren historis penggandaan jumlah transistor setiap dua tahun—sedang mepet sebagian besar karena permintaan manajemen panas yang meningkat.
Substrat termal yang unggul dibandingkan stand-of-the-art saat ini dapat membantu industri mempertahankan momentum Moore’s Law, menjaga pertumbuhan daya pemrosesan tetap pada jalur.
Arsenida Boron Muncul sebagai Substrat Termal yang Menjanjikan untuk Semikonduktor
Pada tahun 2018, peneliti dari University of California, Los Angeles (UCLA) dan Irvine Materials Research Institute, dipimpin oleh Profesor Associat Yongjie Hu, menghasilkan boron arsenide (BAs) bebas cacat di laboratorium mereka. Kerja mereka menunjukkan bahwa BAs unggul dalam menarik dan멠apasirkan panas dibandingkan bahan semikonduktor konvensional.
Pertama kalinya, tim mengintegrasikan BAs secara langsung ke dalam transistor high-electron-mobility (HEMTs) gallium nitride (GaN), karya yang diterbitkan di Nature Electronics pada Juni 2021. Studi menunjukkan bahwa substrat BAs dapat mengalahkan bahkan bahan termal paling canggih dalam pengaturan daya padat tinggi.
Lebih Efektif daripada Diamond atau Silicon Carbide
Untuk menilai performa, peneliti membandingkan HEMTs GaN yang dibangun pada substrat BAs, diamond, dan silicon carbide (SiC). Pada daya padat 15 W mm⁻¹, suhu HEMT berbasis BAs naik dari suhu ruangan hingga 188 °F, sementara perangkat berbasis diamond mencapai 278 °F dan perangkat berbasis SiC puncaknya hampir 332 °F.
Hasil ini menunjukkan bahwa substrat BAs memungkinkan perangkat untuk beroperasi pada level daya yang lebih tinggi. Performa unggul ini berasal dari konduktivitas termal tinggi BAs dan resistensi batas termal yang sangat rendah, yang bersama-sama memfasilitasi ekstraksi panas yang cepat.
BAs dapat mencapai konduktivitas termal hingga 1.300 W m⁻¹ K⁻¹—masih di bawah diamond sebesar 2.300 W m⁻¹ K⁻¹—tetapi resistensi batas yang hampir nol memberikan keuntungan decisif dalam aplikasi pendinginan.
Meskipun BAs mengandung arsenik, ia menjadi stabil dan non-toksik ketika dimasukkan ke dalam senyawa seperti boron arsenide, sebagaimana dinyatakan oleh Dr. Bing Lv dari University of Texas at Dallas, yang juga telah mempioneer sintesis BAs high-purity untuk digunakan sebagai substrat.
Akibatnya, BAs dianggap aman untuk elektronika high-performance, cocok dengan profil keamanan SiC dan diamond. Selain itu, BAs dapat disintesis dan diproses dengan biaya lebih rendah, mengurangi hambatan adopsi industri.
Namun, diperlukan penelitian lebih lanjut untuk sepenuhnya mengkarakterisasi properti elektronik BAs dan mengonfirmasi keandalan jangka panjang sebelum penerapan luas. Jika studi berikutnya terus memvalidasi temuan ini, boron arsenide dapat menjadi bahan dasar untuk elektronika generasi berikutnya.
