DFG-Sachbeihilfe: Ballistischer Wärmetransport in dünnen und ultradünnen Oxidschichten


In diesem Projekt sollen die Untersuchungen zur die Wärmeleitfähigkeit im Übergangsbereich vom diffusiven zum ballistischen thermischen Transport experimentell fortgesetzt und -fertiggestellt werden. Als Modelsystem mit großem Anwendungspotential, z.B. in der Leistungselektronik, wird beta-Galliumoxid als epitaktisch-gewachsenene Schichten und in Heterostrukturen untersucht. In diesen Materialien dominiert der Phononenbeitrag den Wärmetransport, wobei die halbleitenden elektrischen Eigenschaften durch Dotierung eingestellt werden können. Ziel ist es äußerst niedrig dotierte Epi-Schichten höchster kristalliner Qualität zu wachsen und den Wachstumsprozess zu verstehen und zu kontrollieren. Wegen der Temperaturabhängigkeit der phononischen Streulängen kann der Übergang zum ballistischen Transport für niedrig dotierte Schichten mit der Variation der Schichtdicke eingestellt werden. Der theoretisch als Casimir-Limit bekannte Grenzfall tritt ein, wenn die mittlere freie Weglänge der Phononen die Probendicke übersteigt. In diesem Fall ist die Wärmeleitfähigkeit nicht mehr bestimmt durch die Fourier-Gleichung, sondern durch die Probengeometrie und Randbedingungen. In diesem Bereich gibt es bisher kaum experimentelle Daten. Ausgehend von unseren erfolgversprechenden Arbeiten in der ersten Förderperiode des Projekts zum elektrischen und thermischen Transport an einkristallinen Volumenmaterial und epitaktischen Schichten aus beta-Galliumoxid mit Schichtdicken sollen für niedrig dotierte Schichten die implementierten Messmethoden angepasst und angewendet werden. Die für den Wärmetransport verantwortliche Phononenstreuung wird als Funktion von Temperatur, Schichtdicke und Dotierung untersucht. Sowohl das Wachstum als auch die thermischen Transportuntersuchungen müssen hierzu methodisch (weiter-)entwickelt werden und auf den Grenzfall hin angewendet werden. Die experimentellen und methodischen Ergebnisse werden einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des Wärmetransports durch dünne Oxid-Schichten liefern und zur Verbesserung der Wärmeableitung von einer aktiven elektronischen Schicht zu einem Substrat im Anwendungsfall. Bisher begrenzt ungenügender Wärmefluss den Einsatzbereich mikroelektronischer Bauelemente insbesondere bei hoher Leistung.
In diesem Projekt sollen die Untersuchungen zur die Wärmeleitfähigkeit im Übergangsbereich vom diffusiven zum ballistischen thermischen Transport experimentell fortgesetzt und -fertiggestellt werden. Als Modelsystem mit großem Anwendungspotential, z.B. in der Leistungselektronik, wird beta-Galliumoxid als epitaktisch-gewachsenene Schichten und in Heterostrukturen untersucht. In diesen Materialien dominiert der Phononenbeitrag den Wärmetransport, wobei die halbleitenden elektrischen Eigenschaften durch Dotierung eingestellt werden können. Ziel ist es äußerst niedrig dotierte Epi-Schichten höchster kristalliner Qualität zu wachsen und den Wachstumsprozess zu verstehen und zu kontrollieren. Wegen der Temperaturabhängigkeit der phononischen Streulängen kann der Übergang zum ballistischen Transport für niedrig dotierte Schichten mit der Variation der Schichtdicke eingestellt werden. Der theoretisch als Casimir-Limit bekannte Grenzfall tritt ein, wenn die mittlere freie Weglänge der Phononen die Probendicke übersteigt. In diesem Fall ist die Wärmeleitfähigkeit nicht mehr bestimmt durch die Fourier-Gleichung, sondern durch die Probengeometrie und Randbedingungen. In diesem Bereich gibt es bisher kaum experimentelle Daten. Ausgehend von unseren erfolgversprechenden Arbeiten in der ersten Förderperiode des Projekts zum elektrischen und thermischen Transport an einkristallinen Volumenmaterial und epitaktischen Schichten aus beta-Galliumoxid mit Schichtdicken sollen für niedrig dotierte Schichten die implementierten Messmethoden angepasst und angewendet werden. Die für den Wärmetransport verantwortliche Phononenstreuung wird als Funktion von Temperatur, Schichtdicke und Dotierung untersucht. Sowohl das Wachstum als auch die thermischen Transportuntersuchungen müssen hierzu methodisch (weiter-)entwickelt werden und auf den Grenzfall hin angewendet werden. Die experimentellen und methodischen Ergebnisse werden einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des Wärmetransports durch dünne Oxid-Schichten liefern und zur Verbesserung der Wärmeableitung von einer aktiven elektronischen Schicht zu einem Substrat im Anwendungsfall. Bisher begrenzt ungenügender Wärmefluss den Einsatzbereich mikroelektronischer Bauelemente insbesondere bei hoher Leistung.


Projektleitung
Fischer, Saskia Prof. Dr. rer. nat. (Details) (Neue Materialien)

Laufzeit
Projektstart: 12/2016
Projektende: 06/2020

Forschungsbereiche
Experimentelle Physik der kondensierten Materie, Naturwissenschaften

Forschungsfelder
Elektronik, Neue Materialien

Zuletzt aktualisiert 2022-08-09 um 19:08