Sandwich-Technik schützt Nano-Transistor vor Überhitzen

| Redakteur: Margit Kuther

Transistormodell: Silizium-Oxid als Basis, Carbid für das 2D-Material und Aluminium-Oxid für das Verkapselungsmaterial.
Transistormodell: Silizium-Oxid als Basis, Carbid für das 2D-Material und Aluminium-Oxid für das Verkapselungsmaterial. (Bild: Zahra Hemmat / UIC)

Eine ultradünne Schicht aus Aluminiumoxid verhindert zerstörerische Temperaturen und steigert damit die Leistung.

Ein Sandwich der besonderen Art haben Ingenieure an der University of Illinois (UIC) entwickelt: Ein Transistormodell mit Ausdehnung im Nanobereich, der seine Wärme effektiv an eine Siliziumschicht abführt, auf der es aufgebaut ist.

Die untere Schicht ist dreidimensional und besteht aus Silizium. Darauf ist eine ebenfalls dreidimensionale Schicht aus Siliziumoxid. Als nächstes kommt eine hauchdünne, nahezu zweidimensionale Lage aus Carbid. Abgedeckt wird diese von einer ebenfalls ultradünnen Schicht aus Aluminiumoxid.

Aluminiumoxid wirkt am besten

Zweidimensionale Materialien sind nur eine Atomlage dick, wie Graphen, der berühmteste Vertreter dieser Art. Sie gelten als Werkstoff der Zukunft für ultraschnelle Elektronik. Die Wärme, die darin entsteht, fließt jedoch nur sehr langsam in die untere Siliziumschicht ab. Die elektronischen Bauteile drohen, wenn sie richtig gefordert werden, zu verglühen. „Die schlechte Wärmeleitfähigkeit von 2D-Materialien ist der entscheidende Engpass bei der Ausschöpfung des Potenzials in der Nanoelektronik“, sagt Amin Salehi-Khojin, Professor im Ingenieursdepartment der UIC.

Einer der Gründe dafür ist die schwache Bindung zwischen 2D-Materialien und der Siliziumunterlage. „Daher fließt die Wärme nur verzögert ab“, so Salehi-Khojin. „Es bilden sich Hotspots, die zur lokalen Überhitzung führen und das Bauteil zerstören.“ Um die Wärmeableitung zu verbessern, haben die Forscher mit ultradünnen Abdeckungen aus unterschiedlichen Materialien experimentiert. Aluminiumoxid zeigte die beste Wirkung.

Salehi-Khojin vergleicht diese Schicht mit dem Brotaufstrich eines Sandwichs. „Damit gelang es uns, die Geschwindigkeit des Wärmetransports ins Silizium zu verdoppeln“, so der Ingenieur. Das Experiment fand bei Raumtemperatur statt.

Noch besserer Wärmetransport

„Unser Transistor ist zwar nur ein Modell, aber er beweist, dass eine zusätzliche Abdeckung der zweidimensionalen elektrisch aktiven Schicht den Wärmetransport signifikant verbessert“, so Salehi-Khojin. Das bedeute, dass die elektronischen Bauteile auf Dauer funktionsfähig bleiben, weil die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung deutlich sinke. Zufrieden sind die Ingenieure mit dem Wärmetransport aber noch nicht. Jetzt wollen sie weitere ultradünne Abdeckungen testen, um den Wärmetransport noch einmal zu verbessern. So lässt sich die Leistung der nanoelektronischen Bauteile noch einmal verbessern.

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