Forscher der Universität Stanford haben eine interessante Technologie entwickelt, die die Wärmeableitung von Transistoren erheblich verbessern könnte - ein Bereich, der derzeit vor großen Herausforderungen steht, aber die neue Technologie könnte einen großen Durchbruch bedeuten. Natürlich muss darauf hingewiesen werden, dass bereits seit Jahren in ähnlicher Richtung geforscht wird, aber die neue Entwicklung ist dank des neuartigen Ansatzes in mehreren Bereichen ein großer Durchbruch im Vergleich zu bestehenden Methoden.
Laut IEEE Spectrum werden die Transistoren mit dünnen Diamantschichten überzogen, die während des Herstellungsprozesses auf die Transistoren selbst "gezüchtet" werden können, um die Effizienz der Wärmeübertragung deutlich zu erhöhen. Simulationsergebnisse zeigen, dass die Temperatur der Chips mit dieser Methode um bis zu 90 % gesenkt werden kann. Praktische Tests haben gezeigt, dass mit Diamantschichten eine Temperatursenkung von bis zu 70 Grad Celsius im Vergleich zum Normalzustand erreicht werden kann - eine enorme Verbesserung.
Die Entwicklung ist wichtig, weil moderne Wafer immer mehr Transistoren enthalten, die mit zunehmender Breite der Streifen immer dichter beieinander liegen, so dass auf einer gegebenen Fläche mehr Leistung zur Verfügung steht, wodurch mehr Wärme erzeugt wird, die mit den derzeitigen Technologien immer schwieriger zu kontrollieren ist, und die derzeitigen Technologien irgendwann an ihre Grenzen stoßen werden, so dass effizientere Methoden entwickelt werden müssen.
Dazu gehört die Verwendung einer dünnen Diamantschicht in GaN (Galliumnitrid)-Transistoren, die im Wesentlichen auf der Oberfläche als eine Art Decke liegt und die Effizienz der Wärmeübertragung erheblich verbessert. Während frühere Methoden zum "Züchten" mikrometergroßer Diamantpartikel nur bei Temperaturen um 1000 Grad Celsius - und manchmal sogar noch wärmer - funktionierten, kann die neue Methode der Stanford University bei viel niedrigeren Temperaturen, bis zu 400 Grad Celsius, eingesetzt werden. Dies ist ein großer Durchbruch, ebenso wie die Tatsache, dass die Diamantschicht auf der Oberfläche des Transistors und nicht getrennt davon gezüchtet wird, da die CMOS-Bauteile aufgrund der niedrigeren Temperatur den Prozess nun gut überstehen können.
Der Erfolg liegt darin, dass während des Prozesses Sauerstoff zugeführt wird, um die Kohlenstoffreste zu entfernen, aus denen kein Diamant entstanden ist - eine bisher nicht angewandte Methode. Durch die Entfernung dieser als Ruß bezeichneten Schicht wird die Effizienz der Wärmeübertragung weiter verbessert, da die überschüssige Schicht Wärme einschließen würde, was nicht nur nicht hilfreich ist, sondern die Effizienz des Prozesses sogar behindert. Die neue Methode ermöglicht auch die Erzeugung größerer Diamantkristalle als Extras, die für eine effizientere Wärmeübertragung entscheidend sind, da sie eine höhere Wärmeleitfähigkeit haben als eine Schicht aus vielen kleinen, nebeneinander angeordneten Diamantkristallen.
Die Anwendungsmöglichkeiten von Diamant werden seit langem erforscht, da er ein extrem guter Wärmeleiter ist, mit einer Wärmeleitfähigkeit, die praktisch sechsmal besser ist als die von Kupfer - dies gilt für einkristalline Diamantstrukturen. Für die Verwendung von Diamant müssen natürlich die erforderlichen Technologien entwickelt werden, und dies ist einer der Bereiche, an denen die Forscher der Universität Stanford arbeiten, mit offenbar ermutigenden Ergebnissen.
Durch die Verwendung einer Diamantschicht kann die Wärme durch Aufbringen einer Zwischenschicht aus Siliziumkarbid fast direkt von der Oberfläche des Transistors zur Kühlvorrichtung geleitet werden, und zwar mit einer Effizienz, die mit anderen Methoden nicht zu erreichen wäre, da die Transistoren auf andere Weise nicht so nah erreicht werden können. Die Technologie wird mit der Zeit immer wichtiger werden, da immer mehr Transistoren in die Chips eingebaut werden und immer mehr Chips mit Hilfe von 3D-Packaging-Technologien auf die Platine gebracht werden.
Natürlich müssen die Ergebnisse dieser Forschung noch in ein Format umgesetzt werden, das den Einsatz der Technologie in großem Maßstab ermöglicht. An diesem Prozess ist auch das DARPA-Projekt des Pentagons beteiligt, was bedeutet, dass die Technologie zunächst in der Verteidigungsindustrie, später aber auch in anderen Bereichen eingesetzt werden könnte. Erste konkrete Ergebnisse in Form von Chips werden für das Jahr 2027 erwartet.
