Mit einem intelligenten Wärme-Management-System gelingt es Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) aus Mikroprozessoren auf Basis von III-IV-Halbleitern wie Galliumnitrid (GaN) die maximale Leistung herauszukitzeln. Damit beseitigen die Experten einen Engpass bei der Satellitenkommunikation und der Realisierung des künftigen Mobilfunkstandards 6G.
Winzige GaN-Transistoren, sogenannte Dielets, bringen zwar theoretisch die benötigte Leistung und sind in der Verarbeitung der Daten auch schnell genug. Doch ein nennenswerter Teil der Energie, die hineinfliesst, wird in Wärme umgewandelt, die die Leistungsfähigkeit der Dielets beeinträchtigt. Nun hat das MIT-Team diesen Engpass überwunden, indem es GaN-Transistoren in eine ultradünne Diamantschicht eingebettet hat. Der Diamant fungiert als Wärmeverteiler, sodass die Transistoren nahezu ihre Spitzenleistung erreichen, ohne dass ihre Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird.
Die Forscher nutzten diese Technik zur Herstellung eines Leistungsverstärkers für die drahtlose Kommunikation, der alle vergleichbaren Verstärker übertraf, die sie in der Literatur gefunden hatten. Obwohl ihre Herstellungstechnik äusserste Präzision und die Integration verschiedener Materialsysteme erfordert, lässt sie sich in dem für kommerzielle Anwendungen erforderlichen Massstab durchführen, glauben die Entwickler.
Um schnellere, energieeffizientere Elektronik zu entwickeln, werden heterogene integrierte Systeme konzipiert, bei denen mehrere Materialien im gleichen Gehäuse gestapelt werden, um die vorteilhaften Eigenschaften jedes einzelnen Materials zu nutzen.
So haben MIT-Wissenschaftler bereits GaN-Transistoren auf Silizium und Glas aufgebaut. In einem solchen Chip hat jedes Material jedoch eine andere Betriebstemperatur, was die Zuverlässigkeit beeinträchtigen kann. "Wenn wir ein Material einbauen können, das die Wärme so reguliert, dass alle Materialien die gleiche Temperatur haben, verbessert sich die Zuverlässigkeit des gesamten 3D-Chips. Das beste Material, das wir dafür gefunden haben, ist Diamant", so MIT-Doktorand Pradyot Yadav.
Die Forscher verwenden im Labor gezüchteten Diamant in Schmuckqualität, denselben Typ, der sich in manchen Verlobungsringen findet. Diamant hat die höchste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Materialien. Fortschritte im Züchtungsprozess haben die Kosten für einkristalline Diamant-Wafer deutlich gesenkt, was ihren Einsatz in Computerchips praktikabler macht.
