[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出在绝缘体上硅（SOI）纳米电子电路中使用石墨烯或少层石墨烯作为横向散热器，以缓解局部热点问题。通过有限元方法模拟，结果表明，合理集成散热器后，石墨烯可显著降低晶体管沟道的最高温度，其中石墨烯的热导率和厚度是实现有效热管理的关键设计参数。

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.

研究动机与目标

• 研究石墨烯作为纳米电子电路中横向散热器的潜力。
• 分析石墨烯热导率和厚度对SOI晶体管热性能的影响。
• 评估石墨烯在降低金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）中局部热点温度方面的有效性。
• 为纳米尺度电子器件中的石墨烯基热管理提供设计框架。

提出的方法

• 采用有限元法（FEM）数值求解SOI电路中的热传导方程。
• 模拟了包含和不包含石墨烯横向散热器的电路结构。
• 将少层石墨烯的热导率和厚度作为关键输入参数进行变化分析。
• 建模了合理的散热器集成方式，以评估散热效率。
• 分析聚焦于稳态条件下晶体管沟道的温度分布。
• 验证了仿真框架在真实纳米电子器件几何结构中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯的引入如何影响SOI纳米电子电路中的温度分布？
• RQ2 石墨烯的热导率对MOSFET中热点抑制有何影响？
• RQ3 少层石墨烯的厚度如何影响热扩散效率？
• RQ4 散热器在提升石墨烯热管理性能方面发挥什么作用？
• RQ5 石墨烯基散热器能否有效降低晶体管沟道的最大温度？

主要发现

• 集成石墨烯横向散热器可显著降低晶体管沟道中的最高温度。
• 石墨烯热导率越高，热点抑制效果越显著。
• 发现少层石墨烯存在最优厚度，可在不过度使用材料的前提下提升热扩散性能。
• 合理集成散热器对于最大化石墨烯冷却效果至关重要。
• 仿真结果证实，石墨烯可作为纳米尺度电子器件中有效的热管理解决方案。
• 所开发的模型为设计石墨烯基散热器和互连结构提供了定量依据。