Kühl kalkuliert Metallische Substrate für ICs

Schema der Transistorstruktur: Die unterste graue Schicht besteht aus dem verwendeten Silber-Substrat
Schema der Transistorstruktur: Die unterste graue Schicht besteht aus dem verwendeten Silber-Substrat

Erstmals ist es gelungen, Transistoren auf Metall als Trägermetall zu strukturieren und auf Chips zum Laufen zu bringen.

Das bringt große Vorteile: »Im Endeffekt reduziert das die Aufheizung der Halbleiterstrukturen um bis zu 70 Prozent«, sagt die Jülicher Chemikerin Dr. Hilde Hardtdegen, die das internationale Team am Forschungszentrum Jülich geleitet hat. Im Temperaturbereich von bis zu mehreren 100 °C zeigten Silber-Trägermaterialien eine mehr als achtfach höhere Wärmeleitfähigkeit als die konventionellen Saphir-Substrate. Ein weiterer Vorteil: die Transistoren gewinnen an Stabilität.

Mobile Funknetze, die Automobil- und Flugzeugindustrie, selbst alltägliche Geräte wie Handys oder Tablets könnten davon deutlich profitieren, denn die Kühlung stellt eine immerwährende Herausforderung dar, die den Einsatz der Elektronik immer noch stark begrenzt.

Bisher standen aber die Unterschiede im Kristallgitter den Bemühungen entgegen, eine monokristalline Halbleiterschicht auf Metallen mit Hilfe herkömmlicher Methoden abscheiden zu können, um für eine bessere Ableitung der Wärme zu sorgen.

Das Geheimnis: Kontrolliertes Auf- und Abheizen

Jetzt gelang es, »weil wir die für den Abscheideprozess notwendige Temperatur gesenkt haben«, wie Hardtdegen erklärt. »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.«

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.

In sieben Jahren in der Anwendung?

Wie lange wird es dauern, bis die Ergebnisse der Forschung in realen Produkten Verwendung finden? Die optimistischste Einschätzung der Wissenschaftler für eine tatsächliche Anwendung ihrer Entwicklung liegt bei fünf bis sieben Jahren.
Schema der Transistorstruktur auf dem Silber-Substrat