Forschung -

Kühler Transistor auf Metallsubstrat

Die zunehmende Packungsdichte der Halbleiterbauelemente erschwert die Wärmeabfuhr in elektronischen Geräten. Ein Metallsubstrat würde nicht nur das Aufheizen des Halbleiters reduzieren, sondern das Bauelement außerdem stabiler machen. Forschern ist es nun erstmals gelungen, Hochleistungstransistoren auf einem metallischen Trägermaterial zu entwickeln.

Wärme wirkt sich nachteilig auf die Funktion elektronischer Bauteile aus und senkt deren Lebensdauer. Eine effiziente Wärmeableitung ist daher essenziell für die weitere Entwicklung von Schaltkreisen, insbesondere wenn es um hohe Rechengeschwindigkeiten und -leistungen geht. Daher sind neue Konzepte gefragt – wie etwa metallische Trägermaterialien für Halbleiterbauelemente.

Metalle sind sehr gute Wärmeleiter, doch bisher kamen sie als Trägermaterialien nicht infrage. Unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften und vor allem Unterschiede im Kristallgitter machten ein Aufbringen von monokristallinen Halbleiterschichten auf metallische Substrate mit konventionellen Methoden unmöglich.

Gemeinsam mit Kollegen aus der Slowakei, Tschechien und Australien ist dies Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich nun erstmals gelungen. „Entscheidend dabei war, dass wir die für den Abscheideprozess notwendige Temperatur gesenkt haben“, erklärt Hilde Hardtdegen vom Jülicher Peter Grünberg Institut. „Insbesondere mussten wir ein kontrolliertes Aufheizen und Abkühlen der Proben gewährleisten. So konnten wir verhindern, dass sich an der Grenzschicht zwischen dem metallischen Trägermaterial und der Halbleiterschicht mechanische Spannungen aufbauen.“

Wie viel besser die metallischen Trägermaterialien die Wärme ableiten hängt vom Temperaturbereich ab: Hochleistungstransistoren erhitzen sich während des Betriebs von Raumtemperatur auf bis zu mehrere hundert Grad Celsius. In diesem Bereich zeigen die verwendeten Träger aus Silber eine mehr als achtfach höhere Wärmeleitfähigkeit als die konventionellen Saphirsubstrate. Das reduziert die Aufheizung der Halbleiterstrukturen um bis zu 70 %.

Die im Labor optimierten Prozesse müssen allerdings noch den Anforderungen der Massenproduktion angepasst werden, und ebenso den technischen Spezifikationen für diverse Endprodukte. „Vor allem Stabilität und Wiederholbarkeit müssen noch gezielt optimiert werden“, so Hardtdegen. Die optimistischste Einschätzung der Wissenschaftler für eine tatsächliche Anwendung ihrer Entwicklung liegt bei fünf bis sieben Jahren.

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