Исследовательская группа Стэнфордского университета разработала новый подход к решению проблемы теплового барьера в радиочастотных (RF) транзисторах с использованием алмазов. Обертывая транзисторы интегрированным алмазным слоем, выращенным непосредственно на транзисторе, ученые смогли снизить температуру чипов на 70 °C в реальных условиях и на 90 % в симулированных тестах.
Как сообщило издание IEEE Spectrum на этой неделе, испытания с применением нового алмазного метода продемонстрировали перспективные результаты в борьбе с тепловыми ограничениями в электронике. По мере роста мощности и плотности полупроводников и процессоров транзисторы упаковываются все плотнее; например, архитектура графического процессора Nvidia Blackwell содержит 208 млрд транзисторов на одном GPU.
Такая плотная компоновка и миниатюризация приводят к усилению тепловых ограничений, поскольку инновации в эффективности компенсируются тепловыми пределами. В связи с этим группа исследователей Стэнфорда под руководством Срабанти Чоудхури изучает применение алмазных слоев в производстве транзисторов на протяжении нескольких лет, по крайней мере с 2022 года.
Использование алмазов в сочетании с транзисторами на нитриде галлия (GaN) не является новинкой: в 2022 году японские ученые опубликовали соответствующие исследования, а в 2024 году агентство DARPA США привлекло компанию Raytheon для изучения этой темы. Ключевым достижением команды профессора Чоудхури на этой неделе стало выращивание алмазов непосредственно на полупроводниковых устройствах при достаточно низкой температуре, чтобы компоненты оставались работоспособными. До этого прорыва алмазные пленки микрометрового масштаба можно было выращивать только при температурах 1000 °C и выше.
Метод выращивания алмазов, разработанный Чоудхури и ее командой, позволяет создавать «крупнозернистый поликристаллический алмаз вокруг устройств при 400 °C». Каждое слово в этой формулировке отражает отдельное достижение. Добавление кислорода в больших количествах, чем в предыдущих методах, позволяет удалять неалмазные углеродные отложения, избегая сажи, которая ухудшает, а не улучшает теплопроводность.
Температура 400 °C находится в пределах, допустимом для устройств на КМОП-структурах, но достаточно высока для формирования алмазов, а не дополнительных отложений. Крупные кристаллы также играют ключевую роль, поскольку обеспечивают более высокую теплопроводность по сравнению со слоем из множества мелких кристаллов, которые неэффективно рассеивают тепло.
Алмаз рассматривается как компонент будущих чипов на протяжении многих лет благодаря своей исключительно высокой теплопроводности: монокристаллический алмаз в шесть раз превосходит медь по этому показателю. Однако производство и обработка алмазных транзисторов в подходящем формате невозможны из-за ограничений в поставках.
Вместо этого алмаз интегрируется поверх транзисторов на нитриде галлия, выращиваясь непосредственно на полупроводниках с образованием промежуточного слоя карбида кремния, что обеспечивает революционные уровни рассеивания тепла прямо на транзисторе. Стандартные радиаторы поверх полупроводников не могут проникать внутрь чипа для отвода тепла от горячих точек, особенно в развивающихся 3D-архитектурах чипов. Однако алмазный слой, окружающий 3D-транзистор, эффективно справляется с этой задачей.
Команда Стэнфордского университета продвигает интеграцию алмазного слоя теплопроводности в промышленность. Программа DARPA Пентагона, по-видимому, включила исследователей в свой существующий проект по алмазным транзисторам на GaN с ожидаемыми результатами в 2027 году. Помимо оборонных контрактов, Стэнфорд планирует использовать связи с компаниями TSMC, Micron и Samsung для дальнейшего развития технологии в коммерческих целях.
Производство чипов, несомненно, потребует подобных инноваций для перехода в эпоху 1 нм и меньших размеров, поскольку фундаментальные пределы теплопроводности и тепла нарастают экспоненциально до наступления эры за пределами кремниевой вычислительной техники. Время покажет, сможет ли нанесение алмазов на полупроводники стать временной мерой до конца кремниевой эры или даже способствовать переходу к новым субстратам.
Оригинал
Уникальность
