Herstellung und Charakterisierung von integrierten mikro-thermoelektrischen Kühlern unter Verwendung von chemischer und physikalischer Gasphasen Abscheidung

• Antragsteller: Dr. Heiko Reith, seit 12/2020; Professor Dr. Stephan Schulz
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423406119

Mikro-thermoelektrische Kühler (µTECs) zielen darauf ab, elektronische Baugruppen gezielt dort zu kühlen, wo die Wärme produziert wird, oder aber auch eine präzise Temperaturkontrolle für elektronische Baugruppen punktgenau anzubieten. Derzeit erleben µTECs ein neu-auflebendes Interesse aufgrund sehr vielversprechender potentieller Anwendungen im Bereich der optoelektronischen Bauelemente. Laser, insbesondere für die Datenübertragung, benötigen eine extrem präzise Temperaturstabilisierung. Ändert sich durch thermische Ausdehnung die Geometrie der Kavität eines Lasers, verliert dieser an Effizienz. Derzeit werden häufig die kompletten Baugruppen, die den eigentlichen Laser enthalten, aktiv gekühlt und die Temperatur mittels eines zusätzlichen Widerstandsheizers eingeregelt. Das Ersetzen dieser derzeitigen technischen Lösung zur Temperaturstabilisierung durch integrierte µTECs direkt an der optoelektronischen Baugruppe kann die Gesamteffizienz des Lasers bei niedrigeren Kosten deutlich verbessern. Derzeitige µTECs verwenden häufig elektrochemisch abgeschiedenes thermoelektrisches Material, das zwar mit der Herstellungstechnologie kompatibel ist, allerdings eine sehr schlechte Wandlungseffizienz aufweist. Die für die angestrebte Anwendung benötigte Kühlleistung ist auf diese Art und Weise nicht darstellbar. Hierfür benötigt man thermoelektrisches Material deutlich höherer Qualität. Daher ergibt sich ein erheblicher Bedarf nach technologischen Lösungen, prozesskompatibel thermoelektrisches Material mit deutlich verbesserter Güte zur Verfügung zu stellen. Die geforderte Prozesstemperatur zur Abscheidung der gewünschten Materialfilme von maximal 200 °C stellt eine große Herausforderung an die Materialsynthese dar. Prinzipiell erscheinen neben der genannten elektrochemischen Abscheidung, die jedoch qualitativ nicht ausreichende Materialfilme liefert, zwei technologische Verfahren interessant, und zwar die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Im Bereich der chemischen Gasphasenabscheidung können durch Verwendung thermolabiler metallorganischer Prekursoren, inklusive spezieller Single-Source Prekursoren, in denen die Materialien bereits auf molekularer Ebene vorgebildet sind, sehr niedrige Substrattemperaturen realisiert werden. Gleiches gilt für die physikalische Gasphasenabscheidung, sofern Prozessparameter gewählt werden, unter denen ein ausreichend hoher Dampfdruck der zu verdampfenden Materialien gewährleistet ist.Die prinzipielle Tragfähigkeit beider Prozesse konnte in ersten Vorarbeiten der beteiligten Arbeitsgruppen bereits nachgewiesen werden, jedoch besteht noch grundlegender Bedarf an detaillierteren Studien, um die komplette Integration der Prozesse zu gewährleisten. Dies soll durch den vorliegenden Projektantrag realisiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr. Gabi Schierning, bis 11/2020