Diamant wird für seine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit geschätzt und gilt als „Goldstandard“ unter den Wärmeableitungsmaterialien. Aufgrund seiner extremen Härte und Verarbeitungsprobleme gibt es jedoch nur begrenzte praktische Anwendungsmöglichkeiten.
Um dieses Problem anzugehen, schlug das Team eine „Bottom-up“-Diamantenwachstumsmethode vor. Durch den direkten Aufbau strukturierter Diamantschichten auf der Chipoberfläche wird eine präzise Wärmeableitung erreicht. Im Vergleich zur herkömmlichen „Top-Down“-Verarbeitung, bei der zunächst ein massiver Diamantblock hergestellt und dann geschnitten und graviert wird, vermeidet die neue Methode Materialschäden und hohe Kosten.
Bei dieser Technologie kommt die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) mit Mikrowellenplasma zum Einsatz . Forscher erstellen zunächst mittels Fotolithografie eine „Schablone“ auf der Chipoberfläche und lagern dann nanoskalige Diamant-„Samen“ auf der Schablone ab .
In einem Hochenergiereaktor wird kohlenstoffreiches Gas durch Mikrowellenenergie in Plasma umgewandelt. Anschließend lagern sich Kohlenstoffatome an den Kernen ab, haften an ihnen und wachsen Schicht für Schicht zu einer wärmeleitenden Diamantschicht heran. Forscher betonen, dass die Keimbildung der entscheidende Schritt beim Diamantwachstum ist und die Grundlage dafür bildet, dass Kohlenstoffatome eine kristalline Struktur bilden.
In der Elektronik ist Wärme ein zentraler Faktor, der die Leistung einschränkt. Eine Temperaturreduzierung um 23 °C hat praktische Bedeutung, da sie nicht nur die Lebensdauer des Geräts verlängert, sondern auch höhere Betriebsgeschwindigkeiten ohne Überhitzung ermöglicht.
Dem Bericht zufolge wird die Fotolithographie für hochauflösende komplexe Strukturierungsanwendungen eingesetzt, während das Laserschneiden dünner Filme für großflächige Szenarien eingesetzt wird, wodurch eine Prozessanpassungsfähigkeit in verschiedenen Kontexten erreicht wird. Diese Flexibilität gilt als gangbarer Weg zur Industrialisierung.
Darüber hinaus ist der Prozess mit mehreren Halbleitersubstratmaterialien kompatibel, darunter Silizium und Galliumnitrid, und legt damit den Grundstein für die Integration leistungsstarker Diamant-Thermoschichten über verschiedene Technologiepfade hinweg.
Das Forschungsteam berichtet, dass die neue Methode erfolgreich auf die Herstellung von 2-Zoll-Wafern skaliert wurde, mit potenziellen Anwendungen in Hochleistungshalbleitergeräten wie KI-Chips und 5G-Hardware.
Das Team hat einen skalierbaren und effektiven Ansatz zur Integration der Diamant-Wärmemanagementtechnologie in elektronische Geräte identifiziert. Dies hat potenzielle Auswirkungen auf die Verbesserung der Effizienz und Zuverlässigkeit von Smartphones, Batterien und Computergeräten.
Die nächste Phase des Forschungsteams zielt darauf ab, die Grenzflächenbindung zwischen der Diamantschicht und den darunter liegenden elektronischen Komponenten zu optimieren, um eine engere strukturelle Integration zu erreichen. Ein Durchbruch in diesem Bereich könnte die Entwicklung von Transistorgeräten der nächsten Generation mit höheren Geschwindigkeiten und größerer Belastbarkeit erleichtern.