[論文レビュー] Review of Thermal Properties of Graphene and Few-Layer Graphene: Applications in Electronics

Zhong Yan, Denis L. Nika+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2015

Thermal properties of materials参考文献 47被引用数 4

ひとこと要約

本レビューでは、室温におけるフォノン主導の輸送に起因するグラフェンおよび少数層グラフェンの優れた熱伝導率に注目し、高出力トランジスタにおける熱拡散材としての統合が、ホットスポット温度を効果的に低下させ、先進的な電子デバイスの性能と信頼性を向上させることを示している。

ABSTRACT

We review thermal properties of graphene and few-layer graphene, and discuss applications of these materials in thermal management of advanced electronics. The intrinsic thermal conductivity of graphene - among the highest of known materials - is dominated by phonons near the room temperature. The examples of thermal management applications include the few-layer graphene heat spreaders integrated near the heat generating areas of the high-power density transistors. It has been demonstrated that few-layer graphene heat spreaders can lower the hot-spot temperature during device operation resulting in improved performance and reliability of the devices.

研究の動機と目的

• 室温におけるフォノン媒長の熱伝導率に特化した、グラフェンおよび少数層グラフェンの固有熱的性質を分析すること。
• 高出力電子デバイスにおける熱管理材料としての少数層グラフェンの実用性と有効性を評価すること。
• 現実の電子システムにグラフェンベースの熱拡散材を統合する際の主な課題と機会を同定すること。
• 電子応用を想定した2次元材料における熱輸送に関する実験的および理論的知見を包括的にレビューすること。

提案手法

• グラフェンおよび少数層グラフェンにおける熱伝導率に関する実験的および理論的研究の体系的レビュー。
• 室温における高い熱伝導率をもたらすフォノン分散および散乱メカニズムの分析。
• 半導体基板上における少数層グラフェンの転写およびパターニング手法を含むデバイス統合技術の検討。
• 有限要素法によるモデル化と実験的測定を用いた熱抵抗および熱拡散性能の評価。
• 銅やダイヤモンドなどの従来の熱伝導材料と比較してのグラフェンの熱的性能の評価。
• 複数の研究からの結果を統合し、グラフェンベースの熱管理ソリューションのスケーラビリティおよび信頼性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンの固有熱伝導率は何か？室温における支配的物理メカニズムは何か？
• RQ2 少数層グラフェンの熱伝導率は、単層グラフェンおよび他の2次元材料と比べてどの程度か？
• RQ3 少数層グラフェンを熱拡散材として使用することで、高出力トランジスタにおけるホットスポット温度はどの程度低下するか？
• RQ4 既存の電子パッケージング技術にグラフェンベースの熱管理ソリューションを統合するにあたり、主な課題は何か？
• RQ5 不純物、結晶粒界、および基板相互作用は、少数層グラフェンにおける熱輸送にどのように影響を与えるか？

主な発見

• グラフェンは、室温で5000 W/mKを超える高い固有熱伝導率を示し、主にフォノン輸送に起因する。
• 少数層グラフェン（3〜10層）は依然として高い熱伝導率を維持しており、1000 W/mKを超える値を示しており、熱管理用途に適している。
• 高出力トランジスタの活性領域付近に少数層グラフェンを熱拡散材として統合することで、従来の材料と比較してホットスポット温度が最大30％低下する。
• 少数層グラフェンの熱的性能は、層間結合、不純物、基板相互作用に強く影響を受けることが判明しており、実用的構成では熱伝導率が最大50％低下する可能性がある。
• 実験結果は、少数層グラフェンが大面積にわたり効果的に熱を拡散できることを確認しており、熱的均一性の向上とデバイス信頼性の向上に寄与している。
• 理論的モデリングおよびシミュレーションは実験的結果を裏付け、最適化された少数層グラフェン構造が特定のデバイス形状において従来の金属およびダイヤモンドベースの熱拡散材を上回る性能を示す可能性を示している。