Команда Массачусетского технологического института использует алмаз для охлаждения чипа из нитрида галлия, чтобы усовершенствовать беспроводную электронику. Усилитель превзошел по характеристикам аналогичные беспроводные устройства.
Ирина Медведева
Транзистор из нитрида галлия. Источник: MIT
Исследователи из Массачусетского технологического института и других научных центров разработали технологию производства микросхем, которая может помочь будущим беспроводным системам стать быстрее, мощнее и энергоэффективнее.
Команда ученых поместила транзисторы из нитрида галлия в ультратонкий слой алмаза, благодаря чему алмаз стал выступать в качестве теплоотвода внутри микросхемы.
Такой подход помогает нормализовать температуру по всему устройству, позволяя транзисторам работать с максимальной производительностью без снижения надежности.
Алмазная прослойка в чипах для отведения тепла
Алмазная прослойка в чипах для отведения тепла — это технология, использующая уникальные свойства алмаза как материала с рекордной теплопроводностью (до 2400 Вт/м•К при комнатной температуре). Это позволяет эффективно распределять и отводить тепло от электронных компонентов, предотвращая перегрев, повышая надёжность и производительность устройств.
Алмаз не проводит электрический ток, что позволяет размещать его близко к чипу без риска короткого замыкания. Тепло в алмазе переносится фононами (колебаниями кристаллической решётки) изотропно — одинаково хорошо во всех направлениях. Алмазная прослойка быстро распределяет тепло от горячих точек по всей своей площади, снижая пиковую температуру и позволяя чипу работать на более высокой частоте или мощности без троттлинга (принудительного снижения производительности из-за перегрева).
Технологии реализации на сегодня предполагает несколько подходов к интеграции алмазных прослоек в чипы:
1. Алмазные мембраны. Например, технология, разработанная институтами Fraunhofer, предполагает создание сверхтонких (толщиной около 1 мкм) поликристаллических алмазных мембран. Их выращивают на кремниевых пластинах, а затем протравливают для получения нужного контура. Такие мембраны служат проводником тепла между чипами и радиаторами.
2. Выборочный рост алмазов. Исследователи из Университета Райса разработали метод выращивания алмазных плёнок с заданным рисунком на подложках из кремния и нитрида галлия. Технология сочетает микроволновое плазменное химическое осаждение из газовой фазы и фотолитографию. На «трафарет» на поверхности чипа наносят наноалмазные «затравки», а затем в высокоэнергетическом реакторе атомы углерода оседают на них, формируя теплопроводящий слой в нужных местах.
3. Тонкие алмазные покрытия внутри чипа. Учёные Стэнфорда предложили выращивать поликристаллический алмаз непосредственно на транзисторах при относительно низкой температуре (около 400 °C), что не повреждает полупроводниковые структуры. Покрытие толщиной несколько микрометров снижает температуру компонентов на 50–70 °C. При этом между алмазом и полупроводником образуется прослойка из карбида кремния, которая улучшает отвод тепла.
4. Алмаз как подложка для транзисторов — об этой технологии Массачусетской команды мы ведем речь в данной статье. В исследованиях MIT миниатюрные транзисторы на основе нитрида галлия (GaN) встраивают в специально подготовленные полости алмазной подложки. После термического соединения формируется единая структура с высокой теплопередачей и минимальными электрическими потерями.
Основное преимущество применения алмаза — снижение температуры. В зависимости от конструкции и мощности системы температура может снижаться на 10–40 °C, а в экспериментах — до 50–70 °C.
Из этого следует еще ряд «плюсов» — устранение локальных перегревов (hotspots); равномерное распределение тепла — что позволяет чипам работать на более высоких параметрах без риска повреждения; повышение энергоэффективности и срока службы компонентов.
Эффективный теплоотвод снижает нагрузку на систему охлаждения и предотвращает преждевременный износ чипов. Важный момент — совместимость с различными базовыми слоями (кремний, нитрид галлия и др.).
Многообещающая альтернатива кремнию — нитрид галлия
Нитрид галлия, или GaN, считается перспективной альтернативой кремнию для сложных беспроводных систем, таких как 6G и спутниковая связь.
Кремний, на основе которого создано большинство компьютерных чипов, имеет фундаментальные ограничения по энергопотреблению. GaN может работать на более высоких скоростях и с большим энергопотреблением, но серьезным препятствием остается нагрев.
По мере того как все больше транзисторов на основе GaN размещается на кремниевых чипах, локальных перегревов, снижающих надежность и производительность, становится все больше. Новый метод на основе алмазов призван решить эту проблему.
«Ни один материал не может быть универсальным для беспроводных устройств, поэтому трехмерные гетерогенно интегрированные системы никуда не денутся, — говорит Прадьот Ядав, ведущий автор статьи в interestingengineering.com, об этом достижении.
— Ключевой проблемой оставалась надежность и терморегуляция, и, возможно, теперь мы сделали последний шаг, необходимый для того, чтобы эти системы можно было масштабировать и производить в больших объемах».
Многокомпонентный чип для более быстрых беспроводных систем
В основе этой работы лежат гетерогенно интегрированные системы, в которых несколько материалов объединяются в одном корпусе, чтобы использовать преимущества каждого из них.
Ранее исследователи из Массачусетского технологического института наносили нитрид галлия на кремний и стекло для создания более производительных чипов.
Однако каждый материал в таком чипе может работать при разной температуре, что влияет на его надежность.
Исследователи использовали выращенный в лаборатории алмаз ювелирного качества. Алмаз обладает самой высокой теплопроводностью среди всех известных материалов, а достижения в области выращивания монокристаллических алмазных пластин сделали его использование в микросхемах более осуществимым.
Ранее ученые выращивали ультратонкие алмазные слои поверх транзисторов из нитрида галлия. Но этот процесс сложно масштабировать, к тому же он может привести к появлению нежелательных емкостей, замедляющих работу схемы.
Вместо этого команда ученых из Массачусетского технологического института поместила крошечные транзисторы из нитрида галлия, называемые дилетами, в ультратонкую монокристаллическую алмазную прослойку.
«Поместив эти транзисторы на основе нитрида галлия в алмазную подложку, мы смогли повысить производительность устройства, а не снизить ее. Мы можем взять лучшее из обоих миров», — сказал Ядав.
Процесс начинается с того, что с помощью фемтосекундного лазера из пластины вырезают кристаллы нитрида галлия и сверлят в алмазной подложке точные углубления. На дно каждого углубления перед установкой кристалла наносится 20-микронная пленка.
Новый эталон для чипов на основе нитрида галлия
Затем команда уложила диэлектрические и металлические слои поверх нитрида галлия и алмаза, чтобы создать рабочую схему. С помощью этого метода исследователи создали усилитель мощности для беспроводной связи.
Усилитель обеспечил более высокую выходную мощность, эффективность и коэффициент усиления по сравнению с любым аналогичным устройством, описанным в научной литературе, в том числе с тем, которое они разработали в ходе предыдущей работы.
Результаты показывают, что этот метод может быть использован в таких сложных устройствах, как мощные радары, системы космической связи и промышленные дроны.
Его также можно использовать для отвода тепла в системах преобразования энергии в центрах обработки данных, тем самым повышая энергоэффективность.
Важно понимать, что этот прорыв не означает немедленного отказа от кремния во всех сегментах. Для массовой логики и памяти кремний останется вне конкуренции на ближайшие 10–15 лет.
Однако в нишевых, высоконагруженных применениях — спутниковая ретрансляция, базовая станция 6G, радар с фазированной решёткой, системы беспроводной передачи энергии на расстояние — комбинация GaN и алмаза меняет правила игры.
Усилитель, созданный командой Массачусетского технологического института, продемонстрировал не просто рекордные цифры, а стабильность этих показателей при длительной работе на предельных паспортных токах.
Практическое значение разработки
Практическое значение этой разработки выходит далеко за пределы лабораторных демонстраций. Интеграция алмазных подложек с транзисторами из нитрида галлия решает одну из самых острых проблем современной микроэлектроники — тепловую смерть кремния при попытке нарастить плотность мощности.
В устройствах связи нового поколения, таких как 6G, радиодиапазон переходит на субтерагерцовые и терагерцовые частоты, где традиционные полупроводники либо резко теряют КПД, либо попросту перегорают за считанные минуты.
Алмазный теплоотвод позволяет нитриду галлия работать в этих экстремальных режимах без деградации, сохраняя линейность сигнала и предотвращая тепловой уход.
Совместимость с фабричным производством
С точки зрения производственной зрелости, ключевое преимущество предложенного метода заключается в его совместимости с существующей фабричной инфраструктурой. Использование фемтосекундного лазера для прецизионного сверления углублений и перенос готовых чипов-дилетов — это аддитивный процесс, который не требует дорогостоящей перестройки литографических линий.
Плёнка толщиной в 20 микрон служит надёжным адгезивом, выравнивающим тепловое расширение между хрупким алмазом и нитридом галлия. При этом сам алмаз не является проводником электричества, что исключает риск коротких замыканий или паразитных связей, которые возникали при попытках наращивания алмаза поверх готовых схем.
Следующий этап, который предстоит пройти исследователям, — это масштабирование процесса на пластины диаметром 100 и более миллиметров, а также удешевление синтетического алмаза. Первые шаги в этом направлении уже сделаны: лабораторные алмазные пластины размером до 50 мм доступны коммерчески.
Учитывая скорость развития CVD-технологий (химическое осаждение из газовой фазы), можно ожидать, что через три-пять лет алмазная подложка станет стандартным слоем в конструкции мощных СВЧ-транзисторов.
Это не просто эволюция охлаждения — это переход от концепции «чип и радиатор» к концепции «чип — единый монолит, где теплопроводящее тело встроено в структурную матрицу».