Пазл сложился: алмазные мозаики заменят кремний в микросхемах
В Курчатовском институте создают основу для сверхмощной электроники
На смену кремнию, используемому в большинстве электронных микросхем, может прийти алмазная мозаика. Эта структура обладает должной теплопроводностью, подтвердило исследование ученых Курчатовского института. По словам экспертов, работа специалистов позволит перейти к созданию электроники будущего и обеспечит уменьшение размеров устройств.
Мозаика под пленкой
Ученые Курчатовского института совместно с коллегами из Института общей физики РАН, а также китайскими специалистами из Харбинского института технологий провели исследование физических свойств алмазных пластин, которые были выращены в микроволновой плазме в смеси метана и водорода на специальной подложке. Ее составили из тесно уложенных небольших синтетических алмазных монокристаллов и зарастили алмазным слоем. Сформированную на таком основании почти монокристальную пластину называют алмазной мозаикой.
Оказалось, что теплопроводность такой мозаики, даже несмотря на наличие швов на стыках между элементами, практически не уступает цельным алмазам. Благодаря этому качеству доступные по цене мозаики нужных размеров могут заменить кремний, теплоотводящих возможностей которого уже не хватает для развития электроники следующего поколения.
— Алмаз обладает рекордно высокой теплопроводностью, поэтому с его использованием можно делать мощную электронику, выделяющую при работе много тепла. Она будет востребована для телекоммуникаций, базовых станций интернета, радаров, суперкомпьютеров и других технологий, — пояснил заведующий лабораторией алмазных материалов ИОФ РАН Виктор Ральченко.
Для практических нужд необходимы алмазные пластины больших размеров, до нескольких дюймов в длину и ширину. Выращивать их крайне сложно и дорого, поэтому ученые предложили другой вариант — собирать их из более мелкой алмазной плитки, а затем покрыть поверхность тонкой (до нескольких миллиметров) алмазной пленкой с помощью технологии CVD (chemical vapor deposition). Этот слой позволит объединить плитки в одну монолитную пластину.
Потеря, близкая к погрешности
Ученые также проверили, как на теплопроводность поверхности повлияли стыки границ мозаики. Во время эксперимента специалисты соединили между собой две квадратные алмазные пластины с длиной стороны 2,5 мм. С использованием методов электронной микроскопии исследователи выявили дефектность в структуре кристаллов вблизи контакта пластин, которая могла бы повлиять на их свойства. Затем они измерили теплопроводность при передаче через этот контакт.
— В условиях комнатной температуры при прохождении тепла от одной кристаллической пластины мозаики к другой его потеря не превышает 2%, что близко к погрешности измерений, — рассказал ведущий научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт» Александр Инюшкин.
По его словам, алмазные мозаики могут быть востребованы для решения научных задач уже сейчас. Например, на Большом адронном коллайдере в зоне, где сталкиваются пучки микрочастиц, используются кремниевые детекторы для их контроля. Но уже через год из-за сильного радиационного излучения их необходимо заменять. Стойкие к радиации алмазные детекторы прослужат намного дольше.
— Идея сделать эти детекторы из алмаза появилась давно, но вырастить алмаз нужного размера, 3х3 см и более, казалось фантастикой. Теперь стало возможным создание детектора из алмазной мозаики за разумные деньги, — сказал Александр Инюшкин.
Уже появляются идеи использовать аналогичные мозаичные детекторы и для выявления темной материи, отметил ученый.
Перемены в электронике
То, что теплопроводность мозаичных блоков алмазных структур сопоставима с монокристаллическим алмазом, подтверждает возможность использования материала в микросистемной технике, сказал доцент Института машиностроения, материалов и транспорта Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Максим Максимов.
— Это может существенным образом повлиять на уменьшение физических размеров конечных микроустройств, — отметил эксперт.
Сегодня в основе массового производства электроники лежит кремний. Однако в сложных условиях, например при высоких температурах, он теряет свои полупроводниковые свойства, пояснил профессор кафедры физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Андрей Тумаркин. По его словам, кремний близок к своему функциональному пределу как материал для производства электроники, поэтому актуален поиск полупроводников, которые могли бы составить ему альтернативу.
— Алмаз обладает наилучшей из всех аналогов теплопроводностью и способен сохранять работоспособность при очень высоких температурах, — отметил эксперт.
Результаты работы коллег важны для промышленного применения алмазов в производстве более эффективной электроники, резюмировал он.