Elektronen bewahren Halbleiter vor Hitzetod

Schwingungen in dünnen Schichten transportieren laut Konzept von KAIST-Forschern Wärme ab

Hitze: Schwingende Elektronen schützen Chips vor Temperaturstau (Bild: Myriams-Fotos, pixabay.com)

Daejeon (pte005/05.06.2023/06:10) - Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology ( https://www.kaist.ac.kr/kr ) (KAIST) nutzen Oberflächenwellen zur effektiven Kühlung von Halbleiter-Bauelelementen. Die sogenannten Oberflächenplasmon-Polaritone reißen die Wärme gewissermaßen mit sich, wenn sie über die Oberfläche fegen.

Hotspots werden entlastet

Oberflächenplasmone sind freie Elektronen, die auf metallischen Oberflächen durch energetische Anregung in Schwingungen versetzt werden. Dass sie auch Wärme abführen können, ist neu. "Zum ersten Mal haben wir einen neuen Wärmeübertragungsmodus identifiziert, bei dem Oberflächenwellen über einen dünnen Metallfilm verwendet werden, der auf einem Substrat mit geringen Verarbeitungsschwierigkeiten abgeschieden worden ist. Sie verteilen die Wärme in der Nähe der Hotspots von Halbleiterbauelementen und leiten sie effizient ab", sagt Forscher Bong Jae Lee.

Da dieser neue Wärmeübertragungsmodus auftritt, wenn ein dünner Metallfilm auf einem Substrat abgeschieden wird, ist er im Bauelementherstellungsprozess sehr gut einsetzbar und hat den Vorteil, dass er sich großflächig herstellen lässt. Das Forschungs-Team hat gezeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit durch Oberflächenwellen, die über einer 25 Nanometer dicken Titan-Schicht mit einem Radius von etwa 100 Zentimetern erzeugt wurden, um etwa drei Prozent zunahm. Klingt nach wenig, kann aber entscheidend sein, um ein Bauteil vor dem Hitzetod zu bewahren.

Grundlegendes Problem gelöst

Das neue Kühlsystem kann große Auswirkungen auf die Entwicklung von Hochleistungs-Halbleiterbauelementen der Zukunft haben, da es zur schnellen Ableitung von Wärme auf einer dünnen Schicht eingesetzt werden kann. Insbesondere soll dieser neue Wärmeübertragungsmodus das grundlegende Problem des Wärme-Managements in Halbleiterbauelementen lösen, da er eine noch effektivere Wärmeübertragung in dünnen Schichten ermöglicht, während die Wärmeleitfähigkeit in dieser Konstellation normalerweise abnimmt.

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