Исследовательская группа университета разработала масштабируемую технологию теплоотводящего слоя из алмаза, способную снизить рабочую температуру электронных устройств на 23 градуса по Цельсию, что открывает новые возможности для охлаждения чипов высокой мощности.
Алмаз, ценимый за свою исключительную теплопроводность, считается эталонным материалом для отвода тепла. Однако его чрезвычайная твердость и сложность в обработке исторически ограничивали его практическое применение.
Для решения этой проблемы исследовательская группа предложила метод восходящего роста алмаза. Путем непосредственного нанесения узорчатых алмазных слоев на поверхность чипа достигается точное отведение тепла. По сравнению с традиционной обработкой сверху вниз, при которой сначала изготавливается объемный алмаз, а затем производится резка и гравировка, этот новый подход позволяет избежать повреждения материала и высоких затрат.
В этой технологии используется микроволновое плазменное химическое осаждение из паровой фазы. Исследователи сначала создают «шаблон» на поверхности чипа с помощью фотолитографии, а затем наносят на этот шаблон «зародышевые ядра» наноалмазов.
В высокоэнергетическом реакторе углеродсодержащие газы преобразуются в плазму под воздействием микроволнового излучения. Затем атомы углерода осаждаются и прилипают к ядрам, слой за слоем образуя теплопроводящие алмазные слои. Исследователи подчеркивают, что нуклеация является критическим этапом роста алмаза, создавая основу для образования кристаллических структур атомами углерода.
В электронике тепло является основным фактором, ограничивающим производительность. Снижение температуры на 23 °C имеет практическое значение, не только продлевая срок службы устройств, но и позволяя работать на более высоких скоростях без перегрева.
Команда использовала фотолитографию для создания сложных узоров с высоким разрешением, а также лазерную резку тонких пленок для применения на больших площадях, что позволило адаптировать процесс к различным сценариям. Такая гибкость считается жизнеспособным путем к промышленному производству.
Кроме того, процесс совместим с несколькими материалами полупроводниковых подложек, включая кремний и нитрид галлия, что создает основу для интеграции высокоэффективных алмазных тепловых слоев в различных технологических процессах.
Исследовательская группа сообщает, что новый метод был успешно масштабирован до производства 2-дюймовых пластин, с потенциальным применением в высокомощных полупроводниковых устройствах, таких как чипы искусственного интеллекта и оборудование 5G.
Команда определила масштабируемый и эффективный подход к интеграции технологии управления тепловым режимом алмазов в электронные устройства. Это может иметь потенциальные последствия для повышения эффективности и надежности мобильных телефонов, батарей и вычислительного оборудования.
Следующей целью исследовательской группы является оптимизация соединения между алмазным слоем и лежащими под ним электронными компонентами для достижения более тесной структурной интеграции. Прорыв в этой области будет способствовать разработке транзисторных устройств нового поколения, способных работать с более высокими скоростями и большей мощностью.
