Forschung: Integrierte Diamantschicht soll Chips besser kühlen
Immer dichter gepackte und teils noch gestapelte Halbleiter haben ein akutes Problem geschaffen: Sie entwickeln auf kleiner Fläche so viel Wärme, dass ihre Kühlung zu einer großen Herausforderung wird. Das Problem dabei ist, die Energie von den Transistoren und feinsten Leitern, in denen sie entsteht, abzuführen. Denn zwischen Quelle und Kühlkörper liegen Hunderte Mikrometer Silizium, das kein besonders guter Wärmeleiter ist.
Eine Gruppe von Forschern der Universität Stanford haben für das Problem eine praktikable Lösung gefunden, die sie im Magazin IEEE Spectrum beschreiben(öffnet im neuen Fenster) : Sie lassen auf den Transistoren eine Diamantschicht wachsen, den besten Wärmeleiter. Die Diamantschicht leitet die Wärme von Hitzeinseln ab, senkt damit deren Temperatur und sorgt für eine gleichmäßigere Wärmeverteilung. Die Wärme kann so über eine größere Fläche abgeführt werden, die Forscher haben aber noch weitere Ideen, dazu gleich mehr.
Die Idee, Diamant zur Kühlung von Halbleiter zu nutzen, ist nicht neu , das Verfahren allerdings eine kleine Revolution. Denn klassische Verfahren zum Aufwachsen von Diamanten erfordern Temperaturen von rund 1.000 °C, die gängige Halbleiter zerstören würden.
Durch Zugabe von Sauerstoff zum Gemisch aus Methan und Wasserstoff, aus dem in regulären Verfahren Diamanten wachsen, konnte die erforderliche Temperatur auf 400 °C gesenkt werden. Das halten Halbleiter sowohl auf Silizium- als auch Galliumnitridbasis aus, welche die Forscher bislang untersuchten. Deren Funktionalität beeinträchtigt die Diamantschicht kaum, da sie elektrisch isoliert und dank der niedrigen Dielektrizitätszahl kaum zusätzliche kapazitive Effekte einbringt.
3D-Chips könnten noch höher wachsen
Besonders vielversprechend sind die integrierten Diamanten für die 3D-Integration, bei der mehrere Chips gestapelt werden. Die Abfuhr der in den inneren Schichten entstehenden Wärme ist bereits aktuell eine Herausforderung, die neue Ideen erfordert .
Hier erwarten die Forscher, ausgehend von Simulationen, dass mit ihrem Ansatz bis zu 15 Halbleiter-Dies mit hoher Wärmeentwicklung von über 1,3 kW/cm 2 gestapelt werden könnten. Ihr Plan ist, zusätzliche Durchkontaktierungen für die Wärmeabfuhr zu nutzen, die aus Kupfer oder ebenfalls Diamant bestehen könnten. Diese neue Struktur bezeichnen sie als thermisches Gerüst . Ohne es wäre nach vier gestapelten Chips Schluss, da kritische Temperaturen erreicht werden. Der Aufwand für das Gerüst wäre überschaubar, die Fläche der Chips würde um weniger als zehn Prozent steigen.
Messungen hingegen haben die Forscher für Hochleistungstransistoren auf Galliumnitridbasis: Hier reduzierte eine aufgewachsene Diamantschicht die Temperatur des leitenden Kanals um mindestens 70 Kelvin, was einen Betrieb mit höherer Leistung ermöglicht.
Kooperationen mit Industrie
Entwickelt haben die Forscher die Diamantbeschichtung über mehrere Jahre und hierzu eine Reihe(öffnet im neuen Fenster) von Artikeln(öffnet im neuen Fenster) publiziert. Einige Fortschritte ergaben sich zufällig, etwa die Nutzung einer wenige Nanometer dünnen Kontaktschicht aus Siliziumkarbid zwischen Halbleitermaterial und aufgewachsener Diamantschicht. Diese Kontaktschicht senkt den Wärmeübergangswiderstand und sorgt damit überhaupt erst für effiziente Kühlung.
Mittlerweile halten die Forscher den Prozess für so weit entwickelt, dass eine industrielle Nutzung absehbar ist. In einem Projekt der Darpa(öffnet im neuen Fenster) (Defense Advanced Research Projects Agency) erproben sie ihre Diamantbeschichtung für Hochleistungsmikrowellenverstärker. Zwar gebe es noch Herausforderungen, die Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht müsse etwa noch ebener werden.
Mit TSMC, dem größten Halbleiterhersteller der Welt, besteht aber bereits eine Zusammenarbeit. Daneben sollen auch der Zulieferer Applied Materials sowie Micron und Samsung interessiert sein – letztere sind für künftige Generationen von High Bandwidth Memory (HBM) auf Innovationen beim 3D-Packaging angewiesen.
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