[論文レビュー] Graphene Heat Spreaders for Thermal Management of Nanoelectronic Circuits

Samia Subrina, Dmitri Kotchetkov+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2009

Graphene research and applications参考文献 17被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、シリコンオブインシュレーター（SOI）ナノエレクトロニクス回路における局所的ヒートスポットを軽減するために、グラフェンまたは少数層グラフェンを横方向の熱拡散材として使用することを提案する。有限要素法によるシミュレーションにより、適切なヒートシンクを統合したグラフェンが、最大トランジスタチャネル温度を顕著に低下させることを示している。グラフェンの熱伝導率および厚さは、効果的な熱管理のための重要な設計パrameterであることがわかった。

ABSTRACT

Graphene was recently proposed as a material for heat removal owing to its extremely high thermal conductivity. We simulated heat propagation in silicon-on-insulator circuits with and without graphene lateral heat spreaders. Numerical solutions of the heat propagation equations were obtained using the finite element method. The analysis was focused on the prototype silicon-on-insulator circuits with the metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. It was found that the incorporation of graphene or few-layer graphene layers with proper heat sinks can substantially lower the temperature of the localized hot spots. The maximum temperature in the transistor channels was studied as function of graphene's thermal conductivity and the thickness of the few-layer-graphene. The developed model and obtained results are important for the design of graphene heat spreaders and interconnects.

研究の動機と目的

• グラフェンがナノエレクトロニクス回路における横方向の熱拡散材として有効であるかを調査すること。
• グラフェンの熱伝導率および厚さがSOIトランジスタにおける熱的性能に与える影響を分析すること。
• 金属酸化膜半導体フィールドエフェクトトランジスタ（MOSFET）における局所的ヒートスポット温度を低減するグラフェンの有効性を評価すること。
• ナノスケールエレクトロニクスにおけるグラフェンベースの熱管理のための設計フレームワークを提供すること。

提案手法

• SOI回路における熱伝導方程式を数値的に解くために、有限要素法（FEM）が用いられた。
• グラフェンを有する回路と有さない回路の両方をシミュレーションした。
• 少数層グラフェンの熱伝導率および厚さを主な入力パrameterとして変化させた。
• 熱放散効率を評価するために、適切なヒートシンクの統合をモデル化した。
• 定常状態におけるトランジスタチャネル内の温度分布に注目した分析が行われた。
• シミュレーションフレームワークは、実際のナノエレクトロニクスデバイスの幾何形状に適合していることを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンの統合がSOIナノエレクトロニクス回路内の温度分布に与える影響は何か？
• RQ2 グラフェンの熱伝導率がMOSFETにおけるヒートスポット低減に与える影響は何か？
• RQ3 少数層グラフェンの厚さが熱拡散効率に与える影響は何か？
• RQ4 ヒートシンクは、グラフェンの熱管理性能を向上させる役割を果たすか？
• RQ5 グラフェンベースの熱拡散材は、最大トランジスタチャネル温度を効果的に低下させることができるか？

主な発見

• グラフェンの横方向熱拡散材としての統合により、トランジスタチャネル内の最大温度が顕著に低下した。
• グラフェンの熱伝導率が高くなるほど、ヒートスポットの抑制効果が向上した。
• 少数層グラフェンの最適な厚さは、過剰な材料使用を避けつつ熱拡散を効果的に向上させた。
• 適切なヒートシンクの統合は、グラフェンの冷却効果を最大化するために不可欠であることがわかった。
• シミュレーション結果から、グラフェンがナノスケールエレクトロニクスにおける有効な熱管理ソリューションであることが確認された。
• 開発されたモデルは、グラフェンベースの熱拡散材およびリード配線の設計に定量的根拠を提供するものである。