Американские исследователи разработали метод выращивания алмазных пленок с заданным рисунком для охлаждения электроники

Высокопроизводительные технологии, такие как процессоры для искусственного интеллекта и оборудование для сетей 5G, в настоящее время сталкиваются с серьезными проблемами в области терморегулирования.

Выборочный рост алмазов на определенных участках очень востребован в сфере интегральной электроники и систем терморегулирования, однако масштабируемое формирование рисунка с контролируемой микроструктурой остается сложной задачей. Исследователи из Университета Райса разработали технологию выборочного роста алмазов на определенных участках и в масштабах пластины с использованием микроволнового плазменного химического осаждения из газовой фазы и фотолитографии, rкоторая позволяет создавать алмазные узоры на подложках из кремния и нитрида галлия размером от микрометров до целых 2-дюймовых пластин.

Эта технология позволяет встраивать алмазную поверхность непосредственно в устройства, снижая рабочую температуру на 23 °C (41 °F).

Алмаз— бесспорно лучший материал для отвода тепла, но с ним сложно работать. Это одно из самых твёрдых веществ на Земле, поэтому подход «сверху вниз», когда сначала выращивают слой алмаза, а затем пытаются её обработать, — медленный, дорогостоящий и разрушительный для материала.

Поэтому исследователи переходят к «восходящим» подходам к выращиванию алмазов в точных функциональных формах, которые можно интегрировать в электронику. В «восходящем» процессе используется микроволновое плазменное химическое осаждение из газовой фазы.

При этом применяется фотолитография — та же технология, что используется для печати крошечных узоров на микрочипах. Исследователи создают «трафарет» на поверхности чипа. Затем они покрывают этот трафарет наноалмазными «затравками». При попадании в высокоэнергетический реактор атомы углерода оседают, прикрепляются к этим семенам и образуют сплошной теплопроводный слой именно там, где это необходимо.

«Для этого нужен реактор, который использует микроволновую энергию — как на вашей кухне, только гораздо мощнее, — чтобы превращать газ в плазму, — считают исследователи. — Эта плазма расщепляет углеродсодержащие газы, смешанные с водородом, и атомы углерода оседают на подложку».

Исследовательская группа успешно масштабировала свой процесс для 2-дюймовых пластин, стратегически выбрав один из двух методов нанесения рисунка: фотолитографию для сложных узоров с высоким разрешением и лазерную маскировку с последующим удалением маски для более масштабных проектов.

Такая гибкость доказывает, что этот метод готов к массовому производству и открывает практический путь к созданию энергоэффективной и высокопроизводительной электроники будущего.

Кроме того, этот метод совместим с различными базовыми слоями, такими как кремний и нитрид галлия. Он обеспечивает масштабируемую основу для интеграции высокоэффективной алмазной системы терморегулирования в различные полупроводниковые технологии.

Следующая цель — усовершенствовать связь между алмазом и лежащей в его основе электроникой. Успешное создание такого бесшовного соединения позволит создавать транзисторы нового поколения гораздо быстрее и эффективнее.

Исследование было опубликовано в журнале Applied Physics Letters