Une équipe de recherche du département d’ingénierie mécanique du KAIST a réalisé une percée significative dans la technologie de gestion thermique, qui pourrait potentiellement améliorer la fiabilité et la longévité des dispositifs semi-conducteurs modernes.
Des ingénieurs ont réalisé une percée significative dans la gestion thermique des semi-conducteurs en découvrant un nouveau mode de transfert de chaleur utilisant les polaritons plasmoniques de surface (SPP). Cette nouvelle méthode améliore la dispersion de la chaleur de 25 % et pourrait s’avérer essentielle pour résoudre les problèmes de surchauffe des dispositifs semi-conducteurs miniaturisés.
La demande de réduction de la taille des semi-conducteurs, associée au problème de la dispersion inefficace de la chaleur générée aux points chauds des dispositifs, a eu un impact négatif sur la fiabilité et la durabilité des dispositifs modernes. Les technologies de gestion thermique existantes n’ont pas été à la hauteur de la tâche. La découverte d’une nouvelle façon de disperser la chaleur en utilisant les ondes de surface générées sur les films métalliques minces recouvrant le substrat constitue donc une avancée importante.
Le KAIST (Président Kwang Hyung Lee) a annoncé que l’équipe de recherche du professeur Bong Jae Lee du département de génie mécanique a réussi à mesurer, pour la première fois au monde, un transfert de chaleur nouvellement observé induit par le « polariton plasmonique de surface » (SPP) dans un film métallique mince déposé sur un substrat.
Schéma du principe de mesure de la conductivité thermique de films minces de titane (TI) et de la conductivité thermique du polariton plasmonique de surface mesurée sur le film de Ti. Crédit : KAIST Center for Extreme Thermal Physics and Manufacturing (Centre KAIST pour la physique thermique extrême et la fabrication)
Le polariton plasmonique de surface (SPP) désigne une onde de surface formée à la surface d’un métal à la suite d’une forte interaction entre le champ électromagnétique à l’interface entre le diélectrique et le métal et les électrons libres à la surface du métal et les particules similaires qui vibrent collectivement.
L’équipe de recherche a utilisé les polaritons plasmoniques de surface (SPP), qui sont des ondes de surface générées à l’interface métal-diélectrique, pour améliorer la diffusion thermique dans les films métalliques minces à l’échelle nanométrique. Étant donné que ce nouveau mode de transfert de chaleur se produit lorsqu’un film mince de métal est déposé sur un substrat, il est très utile dans le processus de fabrication des dispositifs et présente l’avantage de pouvoir être fabriqué sur une grande surface. L’équipe de recherche a montré que la conductivité thermique augmentait d’environ 25 % en raison des ondes de surface générées sur un film de titane (Ti) de 100 nm d’épaisseur et d’un rayon d’environ 3 cm.
Bong Jae Lee, professeur au KAIST et directeur de la recherche, a déclaré : « L’importance de cette recherche réside dans l’identification, pour la première fois au monde, d’un nouveau mode de transfert de chaleur utilisant des ondes de surface sur un film métallique mince déposé sur un substrat avec une faible difficulté de traitement. Il peut être utilisé comme un diffuseur de chaleur à l’échelle nanométrique pour dissiper efficacement la chaleur près des points chauds des dispositifs semi-conducteurs facilement surchauffés. »
Ce résultat a de grandes implications pour le développement de dispositifs semi-conducteurs de haute performance à l’avenir, car il peut être appliqué pour dissiper rapidement la chaleur sur un film mince à l’échelle nanométrique. En particulier, ce nouveau mode de transfert de chaleur identifié par l’équipe de recherche devrait résoudre le problème fondamental de la gestion thermique des dispositifs à semi-conducteurs, car il permet un transfert de chaleur encore plus efficace à l’échelle nanométrique, alors que la conductivité thermique du film mince diminue généralement en raison de l’effet de diffusion à la frontière.
Cette étude a été publiée en ligne le 26 avril dans Physical Review Letters et a été sélectionnée comme suggestion de la rédaction.
Référence : « Boosting Thermal Conductivity by Surface Plasmon Polaritons Propagating along a Thin Ti Film » par Dong-min Kim, Sinwoo Choi, Jungwan Cho, Mikyung Lim et Bong Jae Lee, 26 avril 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.176302
Cette recherche a été réalisée avec le soutien du Basic Research Laboratory Support Program de la National Research Foundation of Korea.