, CC BY-NC-ND 4.0
6G gilt als nächster großer Schritt im Mobilfunk. Die Technologie soll deutlich höhere Datenraten ermöglichen, mehr Geräte gleichzeitig vernetzen und neue Anwendungen in Bereichen wie Industrie, Raumfahrt oder autonomer Mobilität unterstützen. Doch bevor solche Netze Realität werden, müssen die zugrunde liegenden Chips leistungsfähiger werden. Genau hier liegt derzeit ein Problem: die Wärme.
Ein Forschungsteam des MIT hat nun einen Ansatz vorgestellt, der dieses Hindernis entschärfen könnte. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler integrierten leistungsfähige Galliumnitrid-Transistoren in eine ultradünne Diamantschicht. Dadurch gelang es ihnen, einen Leistungsverstärker zu entwickeln, der nach Angaben des Teams bei Ausgangsleistung, Wirkungsgrad und Verstärkung besser abschneidet als vergleichbare Systeme aus der Fachliteratur.
Inhaltsverzeichnis
Warum Wärme zum Bremsklotz moderner Funktechnik wird
Die meisten Computerchips basieren auf Silizium. Das Material hat die Elektronikindustrie über Jahrzehnte geprägt und wird auch künftig eine zentrale Rolle spielen. Bei Anwendungen mit besonders hohen Frequenzen und Leistungsdichten stößt Silizium jedoch zunehmend an physikalische Grenzen.
Deshalb rückt seit einigen Jahren Galliumnitrid, kurz GaN, in den Fokus der Forschung. Der Halbleiter kann höhere Spannungen verarbeiten, arbeitet bei höheren Frequenzen und eignet sich deshalb für anspruchsvolle Anwendungen wie Satellitenkommunikation, Radartechnik oder künftige 6G-Systeme.
Doch auch GaN hat einen Haken. Ein erheblicher Teil der eingesetzten Energie geht als Wärme verloren. Werden viele Transistoren auf engem Raum zusammengebracht, entstehen lokale Hotspots. Diese überhitzten Bereiche können die Lebensdauer elektronischer Bauteile verkürzen und ihre Leistung begrenzen.
Ein Material aus dem Schmuckkasten hilft der Elektronik
Die Forschenden suchten deshalb nach einem Material, das Wärme besonders effizient ableiten kann. Ihre Wahl fiel auf Diamant. „Wenn wir ein Material einbauen können, das die Wärme so reguliert, dass GaN und Silizium die gleiche Temperatur haben, verbessert sich die Zuverlässigkeit des gesamten 3D-Chips. Das beste Material dafür ist Diamant“, erklärt Studienautor Pradyot Yadav vom MIT.
Verwendet wurde kein natürlicher Edelstein, sondern im Labor gezüchteter Einkristall-Diamant. Solche Materialien kommen bereits in technischen Anwendungen zum Einsatz. Fortschritte bei der Herstellung haben zudem die Kosten in den vergangenen Jahren deutlich reduziert.
Diamant gehört zu den Materialien mit der höchsten bekannten Wärmeleitfähigkeit. Wärme kann sich darin wesentlich schneller verteilen als in vielen anderen Werkstoffen. Genau diese Eigenschaft wollten die Forschenden nutzen.
Frühere Lösungen hatten einen Nachteil
Die Idee, Diamant in Hochleistungschips einzusetzen, ist nicht neu. In früheren Ansätzen wurde der Diamant direkt auf die Transistoren aufgebracht, um die entstehende Wärme abzuführen.
Das funktionierte zwar grundsätzlich, brachte aber neue Probleme mit sich. Durch den Aufbau entstanden zusätzliche elektrische Kapazitäten. Diese beeinflussen den Signalfluss und können die Leistung eines Bauteils verschlechtern.
Das MIT-Team entschied sich deshalb für einen anderen Weg. Die Forschenden fertigten winzige Galliumnitrid-Bauteile, sogenannte Dielets, und integrierten sie direkt in einen ultradünnen Diamant-Interposer. Dabei handelt es sich um eine Trägerschicht, die verschiedene Komponenten eines Chips miteinander verbindet.
„Indem wir diese GaN-Transistoren in einen Diamant-Interposer einbauen, können wir die Leistung des Bauteils tatsächlich verbessern, anstatt sie zu beeinträchtigen. Wir können das Beste aus beiden Welten vereinen“, sagt Yadav.
Fertigung im Mikrometermaßstab
Die Herstellung der Bauteile erfordert hohe Präzision. Zunächst schneiden die Forschenden mit einem Femtosekundenlaser winzige GaN-Elemente aus einem Wafer heraus. Anschließend erzeugen sie passgenaue Vertiefungen im Diamantsubstrat.
In diese Aussparungen setzen sie eine nur 20 Mikrometer dünne Verbindungsschicht ein und platzieren darauf das GaN-Dielet. Danach werden die Materialien unter Druck und Wärme miteinander verbunden. Besonders wichtig ist die Kontaktfläche zwischen den Werkstoffen.
„Diese Schnittstelle ist entscheidend. Wenn die thermische Die-Attach-Folie nicht genau richtig platziert ist, ist der Wärmefluss durch den Diamanten zum GaN-Transistor nicht gut genug“, erläutert Yadav.
Erst danach folgen weitere Isolations- und Metallschichten, aus denen schließlich die vollständige Schaltung entsteht.
Das Herzstück jedes Funksystems
Um ihre Technologie zu demonstrieren, entwickelten die Forschenden einen Leistungsverstärker. Solche Bauteile gehören zu den wichtigsten Komponenten moderner Funktechnik.
Sie verstärken schwache elektrische Signale, bevor diese über Antennen ausgesendet werden. Ob Mobilfunkmast, Satellit oder Radar – ohne Leistungsverstärker lassen sich große Reichweiten kaum realisieren.
Nach Angaben des Forschungsteams erreichte der neue Verstärker eine höhere Ausgangsleistung, bessere Effizienz und stärkere Signalverstärkung als vergleichbare Systeme, die den Forschenden bekannt sind.
„Der Leistungsverstärker ist das schlagende Herz des Frontends eines drahtlosen Geräts. Seine Leistung bestimmt die gesamte Leistung Ihres Kommunikationssystems“, sagt Yadav.
Interessant für 6G, Radar und Raumfahrt
Die Technologie wurde zwar mit Blick auf künftige Kommunikationssysteme entwickelt, ihr Einsatzgebiet könnte jedoch deutlich größer sein.
Mögliche Anwendungen sehen die Forschenden unter anderem in:
- 6G-Funktechnik
- Satellitenkommunikation
- Hochleistungsradaren
- Raumfahrtsystemen
- Industriedrohnen
- Leistungselektronik für Rechenzentren
Gerade dort, wo hohe Leistungen auf engem Raum verarbeitet werden müssen, spielt das Wärmemanagement eine entscheidende Rolle.
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