Borarsenid: Durchbruch als thermischer Substrat für High-Power Elektronik

Neue Substrate versprechen überlegenes Wärmemanagement im Vergleich zu heutigen Leading-Materialien in High-Power-Density Devices.

Thermisches Management ist schnell zu einer der kritischsten Herausforderungen für Elektroingenieure geworden. Mit steigender Leistungsdichte der Elektronik wächst auch die erzeugte Wärme. Zuverlässiger Betrieb erfordert Materialien, die diese thermische Energie effizient extrahieren und dissipieren, sensible Komponenten schützen und Peak Performance aufrechterhalten.

Hersteller von High-Power Devices setzen typischerweise auf Diamant oder Siliziumkarbid Substrate, um Wärme von leistungsdichten Halbleitern wie Transistoren abzuleiten. Aktuelle Forschung hat ein neues Material identifiziert, das Hitze von Hotspots mit deutlich höherer Effizienz abziehen kann, was potenziell greifbare Gewinne in Device Performance und Energieeinsparung liefert.

Was überlegenes Thermisches Management für die Power Electronics Industrie bedeutet

Da Transistor Dimensionen auf Nanometer-Skala schrumpfen, können Hersteller mehr Transistoren auf einen Chip packen, was Performance boostet, aber auch substanzielle Hitze generiert. Ohne robustes Thermisches Management können diese Chips überhitzen, drosseln und Reliability Losses erleiden. Über Zeit kann thermischer Stress sogar vorzeitiges Versagen precipitieren.

Industrie-Analysten warnen, dass die Grenzen von Moores Law – dem historischen Trend, Transistor Count alle zwei Jahre zu verdoppeln – sich largely wegen eskalierender Heat-Management Demands verengen.

Ein thermisches Substrat, das aktuelle State-of-the-Art Materialien outperformt, könnte der Industrie helfen, den Moores Law Momentum aufrechtzuerhalten und Processing Power Growth auf Kurs zu halten.

Borarsenid emerges als vielversprechendes thermisches Substrat für Halbleiter

2018 produzierten Forscher der University of California, Los Angeles (UCLA) und des Irvine Materials Research Institute, geleitet von Associate Professor Yongjie Hu, defektfreies Borarsenid (BAs) im Labor. Ihre Arbeit demonstrierte, dass BAs beim Ziehen und Dissipieren von Hitze konventionellen Halbleitermaterialien überlegen ist.

Erstmals integrierte das Team BAs direkt in Galliumnitrid (GaN) High-Electron-Mobility Transistoren (HEMTs), deren Arbeit im Juni 2021 in Nature Electronics veröffentlicht wurde. Die Studie zeigte, dass BAs Substrate selbst die fortschrittlichsten thermischen Materialien in High-Power-Density Settings outperformen können.

Effektiver als Diamant oder Siliziumkarbid

Zum Benchmarking verglichen die Forscher GaN HEMTs auf BAs, Diamant und Siliziumkarbid (SiC) Substraten. Bei einer Leistungsdichte von 15 W mm⁻¹ stieg die Temperatur des BAs-basierten HEMT von Ambient auf 188 °F, während das Diamant-basierte Device 278 °F erreichte und das SiC-basierte nahe 332 °F peakte.

Diese Ergebnisse zeigen, dass BAs Substrate Devices ermöglichen, bei höheren Power Levels zu operieren. Die überlegene Performance stammt von BAs' hoher thermischer Leitfähigkeit und exzeptionell niedriger Thermal Boundary Resistance, die zusammen schnelle Hitzeextraktion ermöglichen.

BAs kann thermische Leitfähigkeiten bis zu 1.300 W m⁻¹ K⁻¹ erreichen – noch unter Diamants 2.300 W m⁻¹ K⁻¹ – aber seine Near-Zero Boundary Resistance gibt ihm einen entscheidenden Edge in Cooling Applikationen.

Obwohl BAs Arsen enthält, wird es stabil und non-toxisch, wenn es in Verbindungen wie Borarsenid incorporiert wird, wie Dr. Bing Lv von der University of Texas at Dallas anmerkt, der auch die Synthese von High-Purity BAs für Substrat-Nutzung pioniert hat.

Folgerichtig wird BAs als sicher für High-Performance Electronics angesehen, matching das Safety Profile von SiC und Diamant. Zudem kann BAs bei niedrigeren Kosten synthetisiert und verarbeitet werden, was Barrieren für industrielle Adoption reduziert.

Dennoch ist weitere Forschung nötig, um BAs' elektronische Eigenschaften vollständig zu charakterisieren und Long-Term Reliability zu bestätigen, bevor breite Implementation erfolgt. Sollten nachfolgende Studien diese Findings weiter validieren, könnte Borarsenid zu einem Cornerstone Material für Next-Generation Electronics werden.