Quanten-Liouville-Gleichung für den Phononentransport in integrierten Schaltungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Schulz
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528336472

Um eine energieeffiziente Wärmeabfuhr in integrierten Schaltungen zu ermöglichen, ist ein genaues Verständnis des Wärmetransports wichtig. Insbesondere dünne Schichten spielen in modernen Bauelementen der Elektronik und Photonik eine wesentliche Rolle und sind vor allem wegen der auftretenden Quantisierungseffekte mit besonderen Eigenschaften (z.B. höhere Mobilität oder geringeres Rauschen) verbunden. Für die Analyse stehen atomistische Methoden und aus der Verwendung der Boltzmann-Gleichung stammende Methoden zur Verfügung, die aber entweder rechnerisch zu aufwändig sind oder die in Dünnschichtstrukturen auftretenden Quantisierungseffekte nicht berücksichtigen. Es soll ein Transportmodell entwickelt werden, das die Modellierungslücke zwischen den in der Physik vorherrschenden atomistischen Methoden und den in der Elektronik vorherrschenden konventionellen Methoden aus schaltungstechnischer Sicht schließt, so dass wesentliche Eigenschaften des Wärmetransports in integrierten Schaltungen effizient erfasst werden können. Es sollen ballistische Prozesse und Diffusionsprozesse adäquat beschrieben werden, mit denen der zeitabhängige Wärmetransport parallel ("in-flow") oder senkrecht ("out-flow") zu dünnen Schichtstrukturen charakterisiert werden kann. Dazu soll in Analogie zu nanoelektronischen Anwendungen ein Transportmodell für Phononen entwickelt werden, das auf einer Gleichung vom Quantum-Liouville-Typ basiert und die Einbeziehung der für die Existenz des Wärmetransports relevanten Phonon-Phonon-Streuungsmechanismen erlaubt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen