Elektron-Phonon-Wechselwirkungen beeinflussen die Wärmeableitung in Computerchips

Da in den kommenden Jahren immer mehr Transistoren in immer kleineren Bereichen von Computerchips untergebracht werden, könnten Mobiltelefone, Laptops und andere elektronische Geräte laut MIT-Ingenieuren einem höheren Risiko einer Überhitzung ausgesetzt sein, was auf die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und wärmetragenden Partikeln zurückzuführen ist Phononen.

Die Forscher haben herausgefunden, dass diese bisher unterschätzten Wechselwirkungen eine wichtige Rolle dabei spielen können, die Wärmeableitung in mikroelektronischen Geräten zu verhindern. Ihre Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

In ihren Experimenten nutzte das Team zeitlich genau abgestimmte Laserpulse, um die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Phononen in einem sehr dünnen Siliziumwafer zu messen. Je höher die Elektronenkonzentration im Silizium, desto stärker streuten diese Elektronen die Phononen und hinderten sie daran, Wärme abzuleiten.

„Wenn Ihr Computer läuft, erzeugt er Wärme, und Sie möchten, dass diese Wärme durch Phononen abgeleitet wird“, sagt Hauptautor Bolin Liao, ein ehemaliger Doktorand im Maschinenbau am MIT. „Wenn Phononen von Elektronen gestreut werden, sind sie bei der Wärmeableitung nicht so gut, wie wir dachten. Dadurch entsteht ein Problem, das wir lösen müssen, da die Chips immer kleiner werden.“

Andererseits sagt Liao, dass der gleiche Effekt thermoelektrischen Generatoren zugute kommen könnte, die Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln. In solchen Geräten würde die Streuung von Phononen und dadurch die Reduzierung des Wärmeaustritts ihre Leistung erheblich verbessern.

„Jetzt wissen wir, dass dieser Effekt erheblich sein kann, wenn die Elektronenkonzentration hoch ist“, sagt Liao. „Wir müssen jetzt darüber nachdenken, wie wir die Elektron-Phonon-Wechselwirkung auf anspruchsvollere Weise gestalten können, um sowohl thermoelektrischen als auch mikroelektronischen Geräten zu helfen.“

Zu Liaos Co-Autoren gehören Gang Chen, Professor für Energietechnik bei Carl Richard Soderberg und Leiter der Fakultät für Maschinenbau; Alexei Maznev, leitender Forschungswissenschaftler am Fachbereich Chemie; und Keith Nelson, Haslam- und Dewey-Professor für Chemie.

Durchfluss blockieren

In Transistoren aus Halbleitermaterialien wie Silizium und elektrischen Kabeln aus Metallen sind Elektronen die Hauptakteure, die für die Leitung von Elektrizität durch ein Material verantwortlich sind. Ein Hauptgrund dafür, dass solche Materialien einen endlichen elektrischen Widerstand haben, ist das Vorhandensein bestimmter Hindernisse für den Elektronenfluss – nämlich Wechselwirkungen mit den wärmetragenden Phononen, die mit Elektronen kollidieren und sie aus ihrem Stromleitungspfad werfen können.

Wissenschaftler untersuchen seit langem die Auswirkungen solcher Elektron-Phonon-Wechselwirkungen auf die Elektronen selbst, aber wie sich diese Wechselwirkungen auf Phononen – und die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten – auswirken, ist weniger gut verstanden.

„Die Leute haben den Effekt auf Phononen kaum untersucht, weil sie früher dachten, dieser Effekt sei unwichtig“, sagt Liao. „Aber wie wir aus Newtons drittem Gesetz wissen, hat jede Aktion eine Reaktion. Wir wussten einfach nicht, unter welchen Umständen dieser Effekt erheblich werden kann.“

Zerstreuung und Verfall

Liao und seine Kollegen hatten zuvor berechnet, dass in Silizium, dem am häufigsten verwendeten Halbleitermaterial, die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Phononen die Phononen stark streuen würden, wenn die Elektronenkonzentration über 10 ¹⁹ pro Kubikzentimeter liegt. Und sie würden die Fähigkeit des Materials, Wärme abzuleiten, um bis zu 50 Prozent verringern, wenn die Konzentration 10 ²¹ pro Kubikzentimeter erreicht.

„Das ist ein wirklich bedeutender Effekt, aber die Leute waren skeptisch“, sagt Liao. Das liegt vor allem daran, dass man in früheren Experimenten an Materialien mit hohen Elektronenkonzentrationen davon ausging, dass die Verringerung der Wärmeableitung nicht auf die Wechselwirkung zwischen Elektron und Phonon zurückzuführen sei, sondern auf Defekte in den Materialien. Solche Defekte entstehen durch den Prozess der „Dotierung“, bei dem dem Silizium zusätzliche Elemente wie Phosphor und Bor hinzugefügt werden, um seine Elektronenkonzentration zu erhöhen.

„Die Herausforderung bei der Verifizierung unserer Idee bestand also darin, die Beiträge von Elektronen und Defekten zu trennen, indem wir die Elektronenkonzentration im Material irgendwie kontrollierten, ohne Defekte einzuführen“, sagt Liao.

Das Team entwickelte eine Technik namens Drei-Puls-Photoakustikspektroskopie, um die Anzahl der Elektronen in einem dünnen Siliziumwafer durch optische Methoden präzise zu erhöhen und jegliche Auswirkung auf die Phononen des Materials zu messen. Die Technik ist eine Weiterentwicklung einer herkömmlichen photoakustischen Zweipuls-Spektroskopietechnik, bei der Wissenschaftler zwei präzise abgestimmte und zeitlich abgestimmte Laser auf ein Material richten. Der erste Laser erzeugt einen Phononenimpuls im Material, während der zweite die Aktivität des Phononenimpulses während seiner Streuung oder seines Zerfalls misst.

Liao fügte einen dritten Laser hinzu, der, wenn er auf Silizium gerichtet wurde, die Elektronenkonzentration des Materials präzise erhöhte, ohne Defekte zu erzeugen. Als er den Phononenpuls nach der Einführung des dritten Lasers maß, stellte er fest, dass dieser viel schneller abklang, was darauf hindeutet, dass die erhöhte Elektronenkonzentration dazu führte, Phononen zu streuen und ihre Aktivität zu dämpfen.

„Wir haben sehr erfreulicherweise festgestellt, dass das experimentelle Ergebnis sehr gut mit unserer vorherigen Berechnung übereinstimmt, und wir können jetzt sagen, dass dieser Effekt wirklich signifikant sein kann, und wir haben ihn in Experimenten bewiesen“, sagt Liao. „Dies ist eines der ersten Experimente, das die Wirkung von Elektron-Phonon-Wechselwirkungen auf Phononen direkt untersucht.“

Interessanterweise beobachteten die Forscher diesen Effekt erstmals bei Silizium, das mit 10 ¹⁹ Elektronen pro Kubikzentimeter beladen war – eine vergleichbare oder sogar geringere Konzentration als einige aktuelle Transistoren.

„Aus unserer Studie zeigen wir, dass dies ein wirklich ernstes Problem sein wird, wenn die Größe der Schaltkreise kleiner wird“, sagt Liao. „Selbst jetzt, wo die Transistorgröße nur wenige Nanometer beträgt, denke ich, dass dieser Effekt auftreten wird, und wir müssen diesen Effekt wirklich ernsthaft in Betracht ziehen und darüber nachdenken, wie wir ihn in echten Geräten nutzen oder vermeiden können.“

Diese Forschung wurde von S ³ TEC unterstützt, einem Energy Frontier Research Center, das vom Office of Basic Energy Sciences des US-Energieministeriums finanziert wird.