Два новых исследования, проведенные в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, выявили новый путь для материаловедов по использованию ранее не изученных свойств тонких пленок из нанокристаллического алмаза. Хотя свойства тонких пленок алмаза относительно хорошо изучены, новое открытие может значительно улучшить производительность определенных типов интегральных схем за счет сокращения их "теплового бюджета".

На протяжении десятилетий инженеры стремились создавать более эффективные электронные устройства за счет уменьшения размеров их компонентов. Однако в процессе этого исследователи достигли "теплового узкого места", - сказал аргоннский наноученый Анирудха Сумант.

В условиях теплового узкого места избыточное тепло, выделяемое в устройстве, вызывает нежелательные эффекты, которые влияют на его производительность. "Если мы не придумаем инновационные способы отвода тепла от нашей электроники, мы в значительной степени застрянем в этом узком месте", - объяснил Сумант.

Необычайно привлекательные тепловые свойства тонких пленок алмаза побудили ученых предложить использовать этот материал в качестве теплоотвода, который может быть интегрирован с рядом различных полупроводниковых материалов. Однако температура осаждения алмазных пленок обычно превышает 800 градусов Цельсия - примерно 1500 градусов по Фаренгейту, что ограничивает осуществимость этого подхода.

"Суть игры заключается в том, чтобы производить алмазные пленки при минимально возможной температуре. Если я смогу выращивать пленки при температуре 400 градусов, это позволит мне интегрировать этот материал с целым рядом других полупроводниковых материалов ", - сказал Сумант.

Используя новую технику, которая изменила процесс нанесения алмазных пленок, Сумант и его коллеги из Центра наноразмерных материалов Аргонна смогли снизить температуру почти до 400 градусов Цельсия и настроить тепловые свойства алмазных пленок, контролируя размер их зерен. Это позволило в конечном итоге объединить алмаз с двумя другими важными материалами: графеном и нитридом галлия.

По словам Суманта, алмаз обладает гораздо лучшими свойствами теплопроводности, чем кремний или оксид кремния, которые традиционно использовались для изготовления графеновых устройств. В результате лучшего отвода тепла графеновые устройства, изготовленные на алмазе, могут выдерживать гораздо более высокие плотности тока.

В другом исследовании компания Sumant использовала ту же технологию для объединения тонких пленок алмаза с нитридом галлия, который широко используется в мощных светоизлучающих устройствах (LED). После нанесения алмазной пленки толщиной 300 нм на подложку из нитрида галлия Сумант и его коллеги заметили значительное улучшение тепловых характеристик. Поскольку разница в интегральной схеме всего в несколько градусов может привести к заметному изменению производительности, он назвал этот результат "замечательным".

"Общая связь между этими экспериментами заключается в том, что мы находим новые способы более эффективного рассеивания тепла при меньшем потреблении энергии, что является ключевым", - сказал Сумант. "Эти процессы имеют решающее значение для промышленности, поскольку они ищут способы преодолеть традиционные ограничения на полупроводниковых схемах и создать электронику следующего поколения".

Результаты двух исследований были опубликованы в Nano Letters и в Advanced Functional Materials. Оба этих исследования были проведены в сотрудничестве с профессором Дж. Александр Баландин из Калифорнийского университета в Риверсайде и его аспиранты Цзе Ю, Гуаньсюн Лю и доктор Вивек Гоял, недавний доктор философии. выпускник.