微小な1ミクロンのしわであっても、電子機器内部の熱伝導における主要な障害となる可能性があります。マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、最新の研究でこの微小な欠陥が局所的な熱伝導率を約4～5倍低下させ、熱が逃げにくくなり、潜在的に危険なホットスポットを形成し、熱の逆方向への伝播を変化させることを示しました。この発見は、微視的な欠陥がますます強力な電子機器内部で隠れた熱のボトルネックを生み出し、その性能を制限する方法を明らかにしています。研究の著者の一人であるマサチューセッツ工科大学の核科学・工学副教授、リー・ミンダは「過熱はデバイスの性能の真のボトルネックになっていると考えています。」と指摘しました。
微視的欠陥が熱伝導率に与える影響は顕著
さらに重要なことに、研究者たちは層状材料内部の熱伝導干渉を直接マッピングする方法を開発しました。これは従来の熱測定技術では難しいことです。エンジニアがますます多くのトランジスタをより小さな空間に詰め込むにつれて、生成される熱を制御することがますます困難になっています。この問題は、実際のデバイスにおいて特に厄介で、これらのデバイスは多層構造を含む可能性があり、熱はこれらの層間で伝達されなければなりません。研究者たちは熱伝達を測定する技術を持っていますが、これらの技術には重要な制限があります。時間領域熱反射などの光学的方法は小さなスケールで熱を測定できますが、主に全体的な光学信号を提供し、埋め込まれた層内の熱伝達を解析するのは難しいです。
マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、レーザーパルスと超高速X線回折を組み合わせることでこの問題を解決しました。彼らはレーザーを使用して材料を迅速に加熱し、その後X線を利用して熱が拡散する際の格子構造の変化を追跡しました。この方法が効果的である理由は、加熱された結晶が原子をわずかに移動させ、原子格子の間隔を変化させ、測定可能なX線回折の変化を生じさせるからです。研究者たちは、異なる位置と異なる時間でこれらの変化を測定することで、材料内での熱の拡散過程を再構築しました。X線はもう一つの重要な利点を提供します。それは、層状構造を探知できることで、表面測定だけに依存せず、研究者たちが窒化ガリウム薄膜内の熱伝達を調査し、窒化ガリウム-シリコン界面での熱伝達を特徴づけることを可能にします。
研究者たちは、シリコン基板上の500ナノメートル厚の窒化ガリウム（GaN）層の構造をテストしました。GaNは高電場と大出力を処理できるため、高出力電子機器において潜在能力を持っています。処理過程で、この薄膜には約1ミクロンの幅のしわを含む微小な欠陥が現れました。研究者たちがこの欠陥をスキャンしたところ、熱伝達の変化が予想以上に大きいことがわかりました。しわの近くで、研究者たちが測定した局所的な熱伝導率は21.2 ± 1.2ワット毎メートル-ケルビンで、これは周囲のGaNの約4～5倍に相当します。
この欠陥はまた、GaNとシリコン間の熱境界伝導率を約25％低下させ、約2.12 × 10⁷ワット毎平方メートル-ケルビンにしました。
新技術が熱伝導研究の未来を変える
しかし、しわの影響は単に熱の伝達を遅らせるだけではありません。研究者たちは、熱が欠陥周辺で非対称に拡散することを発見しました。一方向からしわに近づく熱は、反対方向から近づく熱とは異なります。この結果は、局所的な欠陥が本来均一な熱伝導経路を方向性のあるボトルネックに変える可能性があることを示しています。リー・ミンダは「人々が熱の散逸をシミュレーションする際、通常は結晶が完璧で欠陥がないと仮定しますが、このような大きなしわの欠陥は二次元材料に非常に一般的であり、これらのしわがどれだけの熱を遮るかを知らない人が多いです。
今、私たちはこの技術を通じてこれらの現象を直接観察できるようになりました。」
この新技術は、熱伝導効果を観察する方法を提供し、周囲の材料の挙動と平均化するのではなく、局所的な熱伝導率と界面伝導率の低下がホットスポットの形成を促進し、電子機器の信頼性や寿命に潜在的に影響を与える可能性があります。研究者たちは、この方法が最終的にエンジニアが電子機器の過熱を引き起こす微視的特徴を特定するのに役立つと信じています。計算能力がますます小さな領域に圧縮される中で、この技術は特に貴重になるでしょう。人工知能、高出力電子機器、柔軟なデバイスなどのハードウェアを含みます。
現在のところ、この方法は依然として専門的な実験室技術であり、高度なX線設備を必要とするため、半導体製造における従来の熱テストを実際に代替することはできていません。現在のデモは、完全な商業チップではなく、窒化ガリウム-シリコン構造に集中しています。しかし、研究者たちはこの技術が他の材料やデバイスアーキテクチャに適応できると考えています。すでに半導体業界の連盟が、この技術を利用して異なるタイプのチップを研究することに興味を示しています。最終的には、この作業が熱工学を材料を均一な塊として見るのではなく、実際に熱の蓄積を制御する微小な欠陥や界面を理解する方向に促す可能性があります。
ますますコンパクトな電子機器にとって、これらの微小なボトルネックを見つけることは、局所的なホットスポットが性能の制限となるのを防ぐために重要です。
この研究は『ネイチャー・コミュニケーションズ』誌に発表されました。