Las comunicaciones por satélite, los sistemas de radar militar y esas redes 5G de las que pronto dependerás tienen algo en común. Los científicos basan estos sistemas en la microelectrónica: el diseño, fabricación y uso de circuitos integrados.
Uno de los cuellos de botella en los circuitos integrados es el autocalentamiento. Estos dispositivos se calientan debido al calentamiento de julios que ocurre en ellos. Como tu teléfono, todos los aparatos electrónicos se calientan y, en consecuencia, la vida útil del dispositivo disminuye.
Por ello, es necesario medir la temperatura que generan estos dispositivos y circuitos para entender el tiempo medio hasta el fallo del componente.
El problema es que los dispositivos existen a nivel submicron. Los ingenieros han reducido estos dispositivos por debajo de los límites de los termómetros y termopares físicos que se utilizan para medir temperaturas a mayor escala.
Tienen que encontrar la manera de medir esa temperatura a pequeña escala.
Sukwon Choi, Ph.D., y profesor adjunto de Ingeniería Mecánica en la Universidad Estatal de Pensilvania
Sukwon Choi, Ph.D., y profesor adjunto de Ingeniería Mecánica en la Universidad Estatal de Pensilvania, ha encontrado una solución.
"El fracaso es un fenómeno local", dijo Choi. "Como nuestro coche, si se rompe la rueda, se rompe todo el coche. Si aparece un punto débil en el circuito y ese punto falla, entonces todo el sistema falla. De manera similar, estos transistores, si tienes un punto caliente y ocurre un fallo en ese punto caliente local, entonces el transistor ya no funciona."
Esos puntos calientes térmicos tienen una longitud de la escala submicronica.
"Estos dispositivos microelectrónicos son propensos a sobrecalentarse", dijo Choi. "Tienes que ser capaz de medir esa temperatura para diseñar sistemas de refrigeración o para evaluar o predecir la vida útil de los componentes."
La temperatura máxima local y la vida útil del dispositivo están directamente correlacionadas. Por tanto, los científicos necesitan conocer la temperatura para estimar el tiempo medio hasta la falla o la vida útil de los componentes.
Los termómetros físicos son demasiado grandes para medir la temperatura local en un circuito. Estos dispositivos de nueva generación basados en microcircuitos para conversión de energía y comunicaciones inalámbricas operan bajo condiciones de alto voltaje y alta corriente. No puedes tocar un dispositivo por motivos de seguridad. El contacto físico también interferirá con el funcionamiento del dispositivo.
Choi utiliza la luz para medir la temperatura.
"Queremos una termografía o termometría de alta resolución espacial, sin contacto y no invasiva", afirmó. "Y podemos hacer eso con la luz usando espectroscopía micro-Raman. Básicamente estás inventando un termómetro óptico. Estamos aprovechando las capacidades de Raman para termografía óptica."
¿Cómo funciona eso?
La espectroscopía Raman estudia la frecuencia o energía de los fonones, o vibraciones de la red cuantizada. Un fonón es una unidad discreta o cuántico de energía vibracional, así como un fotón es un cuántico de energía electromagnética o lumínica. Los fonones y electrones son los dos principales tipos de partículas elementales o excitaciones en sólidos.
"Están investigando la frecuencia de fonones, la frecuencia de los átomos que oscilan dentro de un cristal o sólido amorfo. Entonces esa frecuencia de oscilación está directamente relacionada con la energía. La espectroscopía Raman mide esa frecuencia o energía", dijo.
La espectroscopía Raman examina la frecuencia o energía de un fonón. Los investigadores suelen utilizar esa capacidad para estudiar la estructura de los materiales. Sin embargo, las vibraciones de red o fonones están relacionadas con el transporte térmico en sólidos y, por tanto, con la temperatura. La conducción de calor en un sólido ocurre en forma de ondas vibracionales, según Choi.
"Para la electrónica convencional, los transistores y diodos que entran en toda esta electrónica de consumo se basan en silicio", dijo. "Pero para aplicaciones que exigen mayor potencia, mayor corriente y mayor voltaje de funcionamiento, el silicio tiene sus propios límites respecto a las propiedades de sus materiales. Una cosa importante es la brecha de banda electrónica."
Para esta electrónica de alta frecuencia y alta potencia, los investigadores de microelectrónica han estado buscando materiales con amplias distancias para un funcionamiento de mayor frecuencia, alto voltaje y mayor potencia. Estos investigadores llevan 10 años investigando nitruro de galio y carburo de silicio.
"Los investigadores han logrado grandes éxitos en aplicaciones como vehículos eléctricos o comunicaciones inalámbricas, comunicaciones por satélite y aplicaciones militares. Nos centramos principalmente en el nitruro de galio."
Ahora los científicos están estudiando lo que denominan semiconductores de banda prohibida ultraamplia como la próxima generación para estos dispositivos electrónicos de alta potencia. Eso incluye materiales como el nitruro de aluminio, galio y óxido de galio.
Los materiales de banda prohibida mayor conducen más energía que permite el funcionamiento de los dispositivos bajo condiciones de mayor voltaje. Una banda prohibida más ancha se traduce en un campo eléctrico crítico mayor del material, lo que significa que para un grosor dado, puede tolerar voltajes más altos sin quemarse.
Esto abre la puerta a muchos aspectos favorables, como el desarrollo de sistemas más pequeños y ligeros con mayor eficiencia, dijo Choi.
Para cosas como los coches eléctricos, los investigadores quieren fabricar convertidores de potencia más pequeños que consuman menos batería.
"Sin embargo, un importante cuello de botella para el éxito comercial de los semiconductores de banda larga y ultrabanda es el sobrecalentamiento", afirmó.
LabRAM Microscopio Raman Confocal HR Evolution examina una oblea slicónica
Choi utiliza un microscopio Raman confocal HR Evolution HORIBA LabRAM con filtro de ultra baja frecuencia (ULF) y fuente láser pulsada personalizada. El filtro le permite capturar la dispersión de Raman Stokes y anti-Stokes, proporcionándole lecturas de temperatura más precisas. Choi utiliza las mediciones del filtro ULF junto con otros métodos para obtener las lecturas más precisas posibles.
"Puedes bajar a números de ondas bajos y ver más picos que se pueden aprovechar para medir la temperatura y estudiar el transporte térmico a escala subcontinua", dijo.
El profesor amable y de voz suave gesticula con las manos, dibujando ondas imaginarias en un gráfico contra una cortina negra. Barreras negras rodean el instrumento para eliminar la luz ambiental y permitir mediciones más precisas.
LabRAM HR Evolution sobresaliendo fuera de la caja negra en el laboratorio de Sukwon Choi en la Universidad Estatal de Pensilvania.
"El LabRAM tiene una distancia focal mayor en comparación con otros sistemas Raman, lo que se traduce en una mayor resolución espectral, lo que a su vez nos da una mayor resolución de temperatura. Además, tiene muy buenas capacidades de cartografía", dijo Choi.
Su investigación utiliza la espectroscopía Raman como una solución única para estudiar problemas térmicos en micro/nanosistemas.
"Estamos aprovechando la capacidad Raman para medir la temperatura en lugar de la caracterización estructural que hacen todos los demás, para poder entender el comportamiento de autocalentamiento o sobrecalentamiento de los dispositivos microelectrónicos de próxima generación", afirmó. "Normalmente se basa en semiconductores de banda prohibida amplia como el nitruro de galio o superiores, que se van a usar en aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia, como la conversión de energía para vehículos eléctricos, fuentes de energía renovable y amplificadores de potencia RF para aplicaciones de comunicación inalámbrica."
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