La Escuela de Ingeniería Mecánica, Aeroespacial y de Manufactura de UConn Ph.D. El candidato Francis Vásquez utiliza un sistema de imágenes de termorlectancia para medir la temperatura en un transistor. Crédito: Foto de Sarah Richmond/UConn
Cuando los dispositivos electrónicos se sobrecalentan, pueden reducir la velocidad, el mal funcionamiento o dejar de trabajar por completo. Este calor es causado principalmente por la energía perdida a medida que los electrones se mueven a través de un material, similar a la fricción en una máquina en movimiento.
La mayoría de los dispositivos hoy usan Silicon (SI) como su material semiconductor. Sin embargo, los ingenieros se están convirtiendo cada vez más en alternativas como el nitruro de galio (GaN) para un uso más largo de por vida y un mayor rendimiento. Esto incluye productos como LED, cargadores de computadora portátil compactos y redes telefónicas 5G.
Para aplicaciones aún más extremas, como los sistemas de alto voltaje o entornos hostiles, los investigadores están explorando materiales de banda de pandilla ultra (UWBG) como óxido de galio (GA2O3), nitruro de galio de aluminio (Algan) e incluso diamante.
La diferencia clave entre estos materiales se encuentra en su banda de banda electrónica: la energía necesaria para que los electrones fluyan a través del material. Los bandas de banda más amplios permiten a las empresas reducir el tamaño de su electrónica y hacerlos más eficientes eléctricamente.
“Los materiales de UWBG pueden resistir hasta 8,000 voltios y pueden funcionar a temperaturas superiores a 200 ° C (392 ° F), haciéndolos prometedores para la próxima generación de electrónica en los sectores de energía, salud y comunicación”, explica Georges Pavlidis, profesor asistente de ingeniería mecánica.
Si bien estos materiales ofrecen ventajas prometedoras, también vienen con desafíos. Actualmente son caros, difíciles de fabricar, y su comportamiento térmico es difícil de medir con precisión. A medida que la electrónica se vuelve más potente y en dimensiones más pequeñas, el calentamiento en el dispositivo se vuelve más localizado y puede generar un flujo de calor mayor que el sol, explica Pavlidis.
“Los fabricantes de chips necesitan nuevos métodos para medir la temperatura en dimensiones más pequeñas”, dice.
Pavlidis, junto con la Escuela de Ingeniería Mecánica, Aeroespacial y de Manufactura de UConn Ph.D. Los candidatos Dominic Myren y Francis Vásquez, colaboraron con colegas del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. Durante el año pasado para abordar el desafío de medir la producción de calor. Su trabajo dio como resultado un artículo de “perspectivas” publicado En letras de física aplicada.
“Un artículo de ‘Perspectives’ está destinado a ser un resumen de lo que vendrá pronto, entusiasmar a la gente sobre lo que viene y alentar a otros investigadores a comenzar a buscar temas similares”, dice Myren, un miembro graduado de ciencias e ingeniería de defensa nacional que tiene siete años de experiencia industrial de I + D en sistemas de combustible, combustión interna y controles de motores y posiciones de patentes relacionados con actuadores electromagnéticos y controles de motores.
“El impulso en este momento es para el desarrollo de estrategias de gestión térmica en dispositivos de semiconductores de banda amplios y ultra ancho. Tenemos muchas preguntas abiertas y estamos trabajando duro en ellas en el laboratorio del Dr. Pavlidis, pero la polinización cruzada de las ideas es cómo prosperan los círculos académicos”.
En el artículo titulado “Metrología térmica emergente para dispositivos semiconductores de banda de bandas de páramo ultra”, los coautores discuten los pros y los contras de usar material UWBG para semiconductores, y describen varias técnicas innovadoras para medir la temperatura a microescala. Estos métodos podrían ayudar a los ingenieros a diseñar dispositivos electrónicos más rápidos y potentes, sin el riesgo de sobrecalentamiento.
Después de que el documento se ejecutó en línea a fines de mayo, los coautores recibieron una nota inesperada de los editores de Apliced Physics Letters. “(Nosotros) consideramos que su artículo es notable, y hemos elegido que sea promovido como elección de un editor. Se publicará en la página de inicio del revista, y se mostrará una insignia junto al título”.
“No es una poca cosa para una publicación que se elija como elección de un editor en las cartas de física aplicadas de gran prestigio que publican más de 2,000 artículos al año”, dice JC Zhao, decano de la Facultad de Ingeniería de UConn. “Felicito al profesor Pavlidis y a su grupo por este reconocimiento y estoy muy orgulloso de su logro”.
Los intereses de investigación particulares de Vásquez son la gestión térmica para la electrónica de potencia de alta potencia y radiofrecuencia (RF). En el laboratorio de Pavlidis, disfruta de la combinación de investigación y aplicación significativa donde el grupo resuelve desafíos reales en electrónica y fotónica que afectan directamente la eficiencia energética, la confiabilidad y el rendimiento.
“Lo que hace que la experiencia sea realmente especial es la cultura de laboratorio”, dice Vásquez. “El profesor Pavlidis es increíblemente solidario y paciente, especialmente cuando alcanzamos un conocimiento difícil de explicar, y siempre nos anima a mantener curiosidad.
“Su enfoque nos empuja a explorar nuevas ideas, probarlas rigurosamente y pensar en cómo nuestro trabajo puede traducirse en innovaciones del mundo real. Es esa mezcla de libertad intelectual y altos estándares para tener un impacto que me mantiene emocionado todos los días en el laboratorio”.
En el documento, los investigadores exploran varias opciones para medir la temperatura en dispositivos UWBG. Sugieren utilizar métodos ópticos como la espectroscopía Raman y la termorreflectancia, que usan la luz para medir las propiedades dependientes de la temperatura. Los métodos eléctricos utilizan señales eléctricas para detectar la temperatura y los métodos de sonda de barrido, como la microscopía térmica de barrido, tocan la superficie para sentir el calor.
Los investigadores también describen nuevas ideas emocionantes, como combinar imágenes térmicas creadas a partir de diferentes colores de luz para ver el calor en los dispositivos a base de nitruro, o medir cómo se absorbe la luz en defectos del material para calcular la temperatura en la electrónica de óxido de galio. Incluso están trabajando en un nuevo tipo de microscopio que puede ver patrones de calor muy pequeños con luz ultravioleta profunda.
“Estos métodos propuestos proporcionan una solución para medir la temperatura máxima en futuras electrónicas, que es el indicador principal de cuándo fallará el dispositivo. Proporcionar a la industria metrología precisa reducirá la barrera para la comercialización y permitirá a los ingenieros desarrollar nuevas estrategias de gestión térmica”, dice Pavlidis.
La investigación del grupo está respaldada por Microelectronics Commons, un programa creado específicamente para comercializar dispositivos UWBG para la electrónica de energía. El Programa Commons estableció el Hub de la Coalición de Microelectrónica del Nordeste, una red de más de 200 organizaciones, instituciones académicas, compañías comerciales y de defensa y centros financiados por el gobierno federal concentrado en ocho estados del noreste. La idea del documento surgió de un proyecto en el que Pavlidis trabajó el verano pasado como miembro de la Oficina de Investigación Naval.
En el futuro, Pavlidis, que fue promovido a un miembro senior del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) este mes, se dirige a trabajar con socios semiconductores en el desarrollo de estrategias asequibles para reducir la temperatura en la electrónica de energía. Al impulsar los límites de resolución de las mediciones de temperatura, el laboratorio planea extender sus métodos para mejorar otras tecnologías, como la computación cuántica y los circuitos fotónicos.
Ya han trabajado con colegas de la Universidad de Maryland para diseñar hardware fotónico para el almacenamiento de datos de próxima generación. Ese estudio es publicado en la naturaleza comunicaciones.
“Esperamos que nuestro trabajo haya sentado las bases para el diseño térmico de la próxima generación de dispositivos UWBG”, dice Pavlidis.
Más información: D. Myren et al, metrología térmica emergente para dispositivos de semiconductores de banda ultra ancho, letras de física aplicada (2025). Doi: 10.1063/5.0256723
Hongyi Sun et al, Ingeniería de puntos de acceso microheador para conmutación de niveles múltiples resueltos espacialmente y repetibles en el cambio de fase con fundición Fotónica de silicio, Nature Communications (2025). Dos: 10.1038/s41467-025-59399-6
Proporcionado por la Universidad de Connecticut
Cita: los investigadores describen formas innovadoras de rastrear el calor en semiconductores avanzados (2025, 26 de junio) Consultados el 26 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06 Outline-ways-track-1Vanced-semiconductors.html
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