[논문 리뷰] Graphene Heat Spreaders for Thermal Management of Nanoelectronic Circuits

Samia Subrina, Dmitri Kotchetkov외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 10. 10.

Graphene research and applications참고 문헌 17인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 나노전자 회로에서 국소적 난류 핫스팟을 완화하기 위해 그래핀 또는 소수층 그래핀을 횡방향 열확산체로 사용할 것을 제안한다. 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 통해 적절한 열싱크와 함께 그래핀을 통합할 경우 최대 트랜지스터 채널 온도가 크게 감소함을 입증하였으며, 그래핀의 열전도도와 두께는 효과적인 열관리를 위한 핵심 설계 매개변수임을 규명하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 그래핀이 나노전자 회로에서 횡방향 열확산체로 활용될 잠재력을 조사하기 위해.
• 그래핀의 열전도도와 두께가 SOI 트랜지스터의 열성능에 미치는 영향를 분석하기 위해.
• 금산산화물반도체장효과트랜지스터(MOSFET)에서 국소적 핫스팟 온도를 낮추는 데 있어 그래핀의 효과를 평가하기 위해.
• 나노스케일 전자소자에 대한 그래핀 기반 열관리를 위한 설계 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• SOI 회로 내 열확산 방정식을 수치적으로 해결하기 위해 유한요소법(FEM)을 사용하였다.
• 그래핀 횡방향 열확산체가 있는 회로와 없는 회로를 모두 시뮬레이션하였다.
• 소수층 그래핀의 열전도도와 두께를 핵심 입력 매개변수로 변화시켰다.
• 열확산 효율을 평가하기 위해 적절한 열싱크 통합을 모델링하였다.
• 정적 조건 하에서 트랜지스터 채널 내 온도 분포에 중점을 두고 분석하였다.
• 모델의 타당성을 확보하기 위해 실제 나노전자 소자 기하구조에 부합하는지 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀의 통합은 SOI 나노전자 회로의 온도 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 그래핀의 열전도도는 MOSFET에서 핫스팟 감소에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 소수층 그래핀의 두께는 열확산 효율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 열싱크는 그래핀의 열관리 성능 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 그래핀 기반 열확산체는 최대 트랜지스터 채널 온도를 효과적으로 낮출 수 있는가?

주요 결과

• 그래핀 횡방향 열확산체의 통합은 트랜지스터 채널의 최대 온도를 크게 감소시킨다.
• 그래핀의 열전도도가 높을수록 핫스팟 억제 효과가 더 뛰어나다.
• 최적의 두께의 소수층 그래핀은 과도한 재료 사용 없이도 열확산 성능을 향상시킨다.
• 적절한 열싱크 통합은 그래핀의 냉각 효과를 극대화하기 위해 필수적이다.
• 시뮬레이션 결과는 그래핀이 나노스케일 전자소자에서 효과적인 열관리 솔루션으로 기능할 수 있음을 확인하였다.
• 개발된 모델은 그래핀 기반 열확산체 및 인터커넥트의 설계를 위한 정량적 근거를 제공한다.