Grüne IT-Infrastrukturen Germanium-Zinn ebnet den Weg für On-Chip Energy Harvesting

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Energie direkt auf dem Chip ernten: Wissenschaftlern aus Deutschland, Italien und Großbritannien ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung eines Halbleiters gelungen, der dies in Zukunft möglich machen könnte. Die Legierung Germanium-Zinn lässt sich leicht in den CMOS-Prozess integrieren und hat das Potenzial, die Abwärme von Computerprozessoren in Elektrizität umzuwandeln.

Der zunehmende Einsatz elektronischer Geräte in allen Lebensbereichen treibt den Energieverbrauch in die Höhe. Ein Großteil dieser Energie wird in Form von Wärme an die Umwelt abgegeben. In Europa gehen so jährlich etwa 1,2 Exajoule aus IT-Infrastrukturen und Rechenzentren sowie Geräten wie Smart Devices verloren. Diese Abwärme (Temperaturen unter 80°C) ist wegen der schlechten thermodynamischen Effizienz und technologischen Einschränkungen nur schwer nutzbar.

Ideal wäre es daher, die Niedertemperaturwärme wieder zurückzuführen. Doch es gibt nur sehr wenige Materialien, die in der Lage sind, die Wärme in elektrische Energie umzuwandeln, und keines davon ist mit der aktuellen Technologie in Halbleiterfertigungsanlagen kompatibel.

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und des IHP (Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik) in Deutschland, der Universitäten Pisa und Bologna in Italien sowie der Universität Leeds in Großbritannien haben nun einen Meilenstein bei der Entwicklung eines solchen Halbleiterwerksstoffs erreicht, der für die Energiegewinnung auf Chips geeignet und mit dem CMOS-Prozess der Chipfertigung kompatibel ist.

„Das Hinzufügen von Zinn zu Germanium reduziert die thermische Leitfähigkeit erheblich, während die elektrischen Eigenschaften beibehalten werden – eine ideale Kombination für thermoelektrische Anwendungen“, erklärt Dr. Dan Buca, Leiter der Forschungsgruppe am Forschungszentrum Jülich. Die – experimentell bestätigte – niedrige thermische Leitfähigkeit unterstreicht das große Potenzial der GeSn-Legierungen als thermoelektrisches Material.

Energy Harvesting durch GeSn in Silzium-Chips

Die Idee dahinter: Indem man GeSn in Silizium-Mikrochips integriert, wird es möglich, die im Betrieb erzeugte Abwärme zu nutzen und in elektrische Energie rückzuwandeln. Dieses „Energy Harvesting“ auf dem Chip könnte den Bedarf an externer Kühlung und Strom erheblich reduzieren und so die Effizienz elektronischer Geräte steigern.

CMOS-kompatible Materialien für effiziente Energie-Harvester bei Temperaturen, die für den Betrieb auf dem Chip und die Körpertemperatur charakteristisch sind, sind die Schlüsselkomponenten für nachhaltiges grünes Computing und Internet-der-Dinge-Anwendungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch.

In diesem Zusammenhang ist die Gitterschwingungswärmeleitfähigkeit (κ) von neuen Halbleitern der Gruppe IV, Ge_1-xSn_x-Legierungen, Forschungsgegenstand. Dazu brachten die Forscher Schichten mit Zinngehalten bis zu 14 Atom-% mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf Germanium-gepufferten Silizium-Wafern epitaktisch auf. Eine abrupte Abnahme der Gitterschwingungswärmeleitfähigkeit (κ) von 55 W/(m-K) wurde als unabhängig von der Schichtdicke für spannungsarme Legierungen nachgewiesen.

Die Ergebnisse unterstreichen das hohe Potenzial von einkristallinen GeSn-Legierungen, eine ähnliche Energiegewinnungsfähigkeit zu erreichen, wie sie bereits in SiGe-Legierungen vorhanden ist, jedoch im Temperaturbereich von 20 bis 100 °C, in dem Silizium-kompatible Halbleiter nicht verfügbar sind. Dies eröffnet die Möglichkeit einer monolithisch integrierten Thermoelektrik auf der CMOS-Plattform.

Integration von Photonik, Elektronik und Thermoelektrik auf Silizium-Chip

Elemente der Gruppe IV im Periodensystem, auch bekannt als Siliziumgruppe, bilden die Grundlage eines jeden elektronischen Geräts. Indem man sie zu Legierungen kombiniert, erweitern sich die Anwendungsbereiche auf Thermoelektrik, Photonik und Spintronik. Langfristig rückt damit die Integration von Photonik, Elektronik und Thermoelektrik auf demselben Chip mit siliziumbasierter Technologie in Reichweite. Dies würde nicht nur die Leistung der Geräte verbessern, sondern auch die Entwicklung nachhaltigerer Technologien unterstützen.

„Wir haben einen der kritischsten Parameter für ein thermoelektrisches Material, die thermische Leitfähigkeit, bewertet, indem wir eine Reihe verschiedener experimenteller Techniken an epitaktisch aufgewachsenen Schichten mit unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen und Dicken angewendet haben“, erklärt Prof. Giovanni Capellini, Projektleiter am IHP, den wichtigen Entwicklungsschritt. „Unsere gemeinsame Forschung kann erhebliche Auswirkungen auf Green-IT-Infrastrukturen haben.“

Die Forschungsgruppen am Forschungszentrum Jülich und am IHP setzen ihre Zusammenarbeit fort, um das Material weiterzuentwickeln. Ziel ist es, die Zusammensetzung der Legierung auf Silizium-Germanium-Zinn (SiGeSn) und die Gruppe-IV-Legierung unter Hinzunahme von Kohlenstoff (CSiGeSn) zu erweitern und damit ein funktionales thermoelektrisches Gerät herzustellen, mit dem sich das Potenzial der Energiegewinnung durch Gruppe-IV-Legierungen demonstrieren lässt.

Die Aktivität wird finanziell durch einen neu vergebenen DFG-Zuschuss „SiGeSn-Legierungen für die Energiegewinnung bei Raumtemperatur“ gefördert. Zusätzlich werden die Arbeiten durch den Vorstand des Forschungszentrums Jülich und das kooperative Promotionsprojekt „CMOS-Energiegewinnung für Big Data-Anwendungen“ unterstützt.(kr)

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