Metallische Trägermaterialien für Hochleistungs-Halbleiter

Redakteur: Gerd Kucera

Einem internationalen Forscher-Team unter der Leitung der Jülicher Chemikerin Dr. Hilde Hardtdegen gelang es erstmals, auf einem metallischem Träger Hochleistungs-Transistoren zu entwickeln.

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Bild 1: Forscherin Dr. Hilde Hardtdegen im Materialherstellungslabor mit einem metallischen Substrat.
Bild 1: Forscherin Dr. Hilde Hardtdegen im Materialherstellungslabor mit einem metallischen Substrat.
(Bild: Forschungszentrum Jülich/Marcel Bülow)

Eine um nur 10 K erhöhte Chip-Temperatur reduziert die Lebensdauer eines Halbleiters auf die Hälfte. Effiziente Wärmeableitung ist daher essenziell für die weitere Entwicklung von Schaltkreisen. Daher sind neue Konzepte gefragt – beispielsweise mit metallischen Trägermaterialien. Ein Metallsubstrat reduziert das Aufheizen des Halbleiters, leitet einen Großteil der Wärme effektiv ab und macht das Bauelement stabiler.

Silber-Trägermaterialien statt Saphir-Substrate

„Metalle sind sehr gute Wärmeleiter“, erklärt Hilde Hardtdegen vom Peter Grünberg Institut am Forschungszentrum Jülich, „doch bisher kamen Metalle als Trägermaterialien nicht in Frage. 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 den Jülicher Wissenschaftlern nun das Aufbringen von monokristallinen Halbleiterschichten erstmals gelungen.

„Entscheidend dabei war, dass wir die für den Abscheideprozess notwendige Temperatur gesenkt haben“, erklärt Hardtdegen, „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 leiten nun metallische Trägermaterialien die Wärme ab? Hardtdegen: „Das hängt vom Temperaturbereich ab. Hochleistungs-Transistoren erhitzen sich während des Betriebs von Raumtemperatur auf bis zu mehreren hundert Grad Celsius. In diesem Bereich zeigen die von uns verwendeten Silber-Trägermaterialien eine mehr als achtfach höhere Wärmeleitfähigkeit als die konventionellen Saphir-Substrate. Im Endeffekt reduziert das die Aufheizung der Halbleiterstrukturen um bis zu 70 Prozent.“

Fünf bis sieben Jahre bis zur Perfektion

Die möglichen Anwendungen für ein solches metallisches Trägermaterial sind vielfältig: Hochleistungselektronik für mobile Funknetze, Bauteile für die Automobil- und Flugzeugindustrie, selbst alltägliche Geräte wie Handys oder Tablets – eben überall dort, wo sich Wärmeentwicklung nachteilig auf die Funktion von Geräten auswirken kann.

Doch noch ist das Zukunftsmusik. Die im Labor optimierten Prozesse sind selbstverständlich noch an die Anforderungen der Massenproduktion anzupassen und ebenso an die jeweiligen technischen Spezifikationen für diverse Endprodukte. Vor allem Stabilität und Wiederholbarkeit müssen noch gezielt optimiert werden. Die optimistischste Einschätzung der Wissenschaftler für eine tatsächliche Anwendung ihrer Entwicklung liegt bei fünf bis sieben Jahren.

Das Peter Grünberg Institut beschäftigt sich mit grundlegenden Fragen der Halbleiterphysik, der Halbleitertechnologie und der Bauelementphysik. In der Bauelemententwicklung werden alternative Konzepte verfolgt, um die Grenzen elektronischer Bauelemente zu erforschen, beispielsweise geht es um die maximal mögliche Frequenz, die Signalverstärkung oder Signalübertragung und nicht zuletzt um die Miniaturisierbarkeit von Transistoren. Besondere Bedeutung kommt den Quanteneffekten in Nanostrukturen zu. Im Vordergrund steht die Epitaxie von SiGe-Schichten, klassischer III/V- Verbindungen und von Gruppe-III-Nitriden sowie Untersuchungen von elektronischen und optischen Eigenschaften dieser Halbleitermaterialien. Insbesondere das selbstorganisierte Wachstum von Quantenpunkten und Quantendrähten wird mit verschieden Methoden der Epitaxie untersucht.

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