US-DARPA und BAE schließen erste Phase zur Wärmeableitung bei GaN-Bauelementen ab – Leistungsdichte um das Fünffache gesteigert

de.wedoany.com-Bericht: Die FAST-Labs-Forschungsorganisation von BAE Systems hat die erste Phase des Projekts „Technologies for Heat Removal in Electronics at the Device Scale“ (THREADS) der US-amerikanischen Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) abgeschlossen und wurde für die zweite Phase ausgewählt. Das Projekt konzentriert sich auf die Wärmeableitungsproblematik von Galliumnitrid- (GaN-) Bauelementen, die in großem Umfang in Hochleistungsradaren, Systemen der elektronischen Kampfführung und Kommunikationssystemen eingesetzt werden.

Eine höhere Leistung von Hochfrequenztransistoren erzeugt mehr Wärme. Kann diese Wärme nicht effektiv abgeführt werden, sinken Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Transistoren. Daher können elektronische Bauelemente oft nicht an ihrer theoretischen Leistungsgrenze betrieben werden. Die DARPA hat das THREADS-Projekt ins Leben gerufen, um das Wärmeproblem von innen heraus zu lösen, anstatt lediglich herkömmliche Kühlsysteme außerhalb der Bauelemente anzubringen. Das Projekt steht vor zwei großen technischen Herausforderungen: erstens die Reduzierung des Wärmewiderstands im Transistor bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der elektrischen Leistungsfähigkeit; zweitens die effiziente Ableitung der Wärme aus Bereichen mit Hochleistungstransistoren, ohne die Hochfrequenzleistung zu beeinträchtigen.

GaN ist ein Halbleiter mit breiter Bandlücke, der bei höheren Leistungsdichten und Frequenzen arbeiten kann und sich für moderne Radargeräte mit aktiver elektronischer Phasensteuerung (AESA) und Systeme der elektronischen Kampfführung eignet. Die DARPA hat zuvor darauf hingewiesen, dass die Leistungsdichte von GaN im Vergleich zu früheren Transistortechnologien um mehr als das Fünffache gesteigert wurde, aber wenn der Engpass bei der Wärmeableitung überwunden werden kann, besteht theoretisch noch erhebliches Steigerungspotenzial. Das Ziel der DARPA für das THREADS-Projekt ist es, den Wärmewiderstand um das Achtfache zu reduzieren und eine Leistungsdichte von 81 W/mm für X-Band-Transistoren und Leistungsverstärker-Testbauelemente zu erreichen.

Die Lösung des Wärmeableitungsproblems hat erhebliche Auswirkungen auf die Systemleistung. Die DARPA schätzte zuvor, dass die Überwindung thermischer Beschränkungen die Radarerfassungsreichweite um das Zwei- bis Dreifache erhöhen könnte. Die neuesten Aktualisierungen der Behörde zeigen, dass die THREADS-Projektteilnehmer in der ersten Phase die Hochfrequenz-Leistungsdichte im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik um etwa das Fünffache gesteigert haben, was ungefähr einer Verdoppelung der Radarerfassungsreichweite entspricht, während die für den operativen Einsatz erforderliche Zuverlässigkeit erhalten bleibt. Allerdings wird nicht jedes Radar, das die THREADS-Technologie einsetzt, automatisch eine verdoppelte Reichweite erzielen; die tatsächliche Radarleistung hängt auch von Faktoren wie Antenneneigenschaften, Frequenz, Zielgröße, atmosphärischen Bedingungen und Signalverarbeitung ab.

BAE Systems treibt die entsprechenden Arbeiten in seinem Mikroelektronikzentrum in Nashua, New Hampshire, voran, das GaN- und Galliumarsenid-Integrierte Schaltkreise für Verteidigungsanwendungen entwickelt und fertigt. Das THREADS-Projekt wird in Zusammenarbeit mit Modern Microsystems sowie Forschern der Pennsylvania State University, der Stanford University, der University of Notre Dame und der University of Texas at Dallas durchgeführt.

Das THREADS-Projekt ist Teil der langfristigen Forschung zur Verbesserung der Wärmeableitungsfähigkeit von GaN-Elektronikbauelementen. Die DARPA hat zuvor im Rahmen des Projekts „Near Junction Thermal Transport“ GaN-Transistoren auf Diamantbasis demonstriert, die die hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamant nutzen, um die Sperrschichttemperatur der Transistoren zu senken. THREADS baut darauf auf und untersucht weiterführend Materialien, Bauelementstrukturen und Methoden zur direkten Wärmeableitung auf Transistorebene. Für BAE Systems bedeutet der Eintritt in die zweite Phase den Übergang von der Grundlagenforschung zur weiteren Entwicklung und Validierung technischer Lösungen. Das ultimative Ziel sind nicht nur Transistoren mit niedrigeren Temperaturen, sondern Hochfrequenzbauelemente, die ohne Volumenzunahme, ohne Zuverlässigkeitseinbußen und ohne thermische Beschränkungen eine erheblich höhere Leistung erzeugen können.