Il diamante, apprezzato per la sua eccezionale conduttività termica, è considerato il “gold standard” tra i materiali per la dissipazione del calore. Tuttavia, la sua estrema durezza e le sfide di lavorazione hanno applicazioni pratiche limitate.
Per risolvere questo problema, il team ha proposto un metodo di crescita dei diamanti “dal basso verso l’alto”. Costruendo direttamente strati diamantati modellati sulla superficie del truciolo, si ottiene un'estrazione precisa del calore. Rispetto alla tradizionale lavorazione “top-down”, in cui un blocco di diamante solido viene prima fabbricato e poi tagliato e inciso, il nuovo metodo evita danni materiali e costi elevati.
Questa tecnologia utilizza la deposizione chimica da vapore al plasma a microonde (CVD) . I ricercatori creano prima un “modello” sulla superficie del chip utilizzando la fotolitografia, quindi depositano “semi” di diamante su scala nanometrica sul modello .
All'interno di un reattore ad alta energia, il gas ricco di carbonio viene convertito in plasma mediante l'energia delle microonde. Gli atomi di carbonio quindi si depositano e aderiscono ai nuclei, crescendo strato dopo strato fino a formare uno strato di diamante termicamente conduttivo. I ricercatori sottolineano che la nucleazione è il passaggio fondamentale nella crescita del diamante, poiché fornisce le basi affinché gli atomi di carbonio formino una struttura cristallina.
Nell'elettronica, il calore è un fattore fondamentale che limita le prestazioni. Una riduzione della temperatura di 23°C ha un significato pratico, non solo prolungando la durata del dispositivo ma consentendo anche velocità operative più elevate senza surriscaldamento.
Secondo il rapporto, la fotolitografia viene utilizzata per applicazioni di modelli complessi ad alta risoluzione, mentre i film sottili tagliati al laser vengono utilizzati per scenari di grandi dimensioni, ottenendo l’adattabilità del processo in diversi contesti. Si ritiene che questa flessibilità fornisca un percorso praticabile per l’industrializzazione.
Inoltre, il processo è compatibile con molteplici materiali di substrato semiconduttore, tra cui silicio e nitruro di gallio, ponendo le basi per l’integrazione di strati termici di diamante ad alte prestazioni attraverso diversi percorsi tecnologici.
Il team di ricerca riferisce che il nuovo metodo è stato scalato con successo fino alla produzione di wafer da 2 pollici, con potenziali applicazioni in dispositivi semiconduttori ad alta potenza come chip AI e hardware 5G.
Il team ha identificato un approccio scalabile ed efficace per integrare la tecnologia di gestione termica dei diamanti nei dispositivi elettronici. Ciò ha potenziali implicazioni per migliorare l’efficienza e l’affidabilità di smartphone, batterie e apparecchiature informatiche.
La fase successiva del gruppo di ricerca mira a ottimizzare il collegamento dell'interfaccia tra lo strato di diamante e i componenti elettronici sottostanti per ottenere un'integrazione strutturale più stretta. Una svolta in questo settore potrebbe facilitare lo sviluppo di dispositivi a transistor di prossima generazione in grado di raggiungere velocità più elevate e una maggiore gestione della potenza.