Diamond Foundry züchtet weltweit erste einkristalline 200-mm-Diamantscheibe
Der monolithische Kristall soll Wärme in Hochleistungs-Mikrochips ableiten und die Leistungselektronik voranbringen
Automatisch aus dem englischen Original übersetzt Original lesen
Diamond Foundry hat eine einkristalline Diamantscheibe mit 200 Millimetern Durchmesser in ungeschliffenem Zustand hergestellt und das Material am 6. November als Ergebnis einer 25-jährigen Forschungsarbeit vorgestellt. Das Unternehmen aus San Francisco entwickelte den durchgehenden Kristall, um Wärme von Hochleistungs-Mikrochips abzuführen, insbesondere von Prozessoren für intensive Berechnungen der künstlichen Intelligenz. Die monolithische Probe mit 7,9 Zoll Durchmesser stellt eine bedeutende technische Erfindung in der Synthese von synthetischem Diamant dar.
Durchgehendes Kristallgitter ersetzt gekachelte Segmente
Das Züchten von Diamantkristallen in Halbleiterdimensionen war lange mit erheblichen physikalischen Hürden verbunden. Natürliche und synthetische Diamanten bestehen aus Kohlenstoffatomen, die in einem strengen Gitter gebunden sind, und jeder Defekt in diesem Gitter unterbricht die Wärmeübertragung und den Elektronenfluss. Laut einem Bericht von Interesting Engineering stützten sich frühere Versuche, große Diamantsubstrate herzustellen, darauf, kleinere Kristalle zusammenzufügen oder polykristalline Scheiben zu verwenden, die interne Korngrenzen enthalten, welche Wärme einfangen. Diese Grenzen mit einem Einkristall-Wafer zu überwinden, stellt eine bedeutende Erfindung für die Halbleiterindustrie dar.
Die vom Unternehmen hergestellte 200-mm-Probe ist eine einzige durchgehende Struktur ohne zusammengefügte Kanten. Zuvor fertigte Diamond Foundry 100-mm-Scheiben mithilfe der Diamant-Heteroepitaxie, einem Verfahren, bei dem Diamantkristalle auf einem darunterliegenden Fremdmaterial wachsen und dabei ein geordnetes Gitter beibehalten. Das Unternehmen hat zwar nicht angegeben, ob die neue 200-mm-Probe auf demselben Wachstumsmechanismus beruht, doch CEO Martin Roscheisen schrieb den Erfolg kombinierten Fortschritten in Plasmaphysik, Reaktordesign, Kristalltechnik und Wachstumschemie zu. Er verwies auf Grundlagenarbeit, die vor einem Vierteljahrhundert von den Forschern Stefan Gsell und Martin Fischer begonnen wurde.
Wärmeabfuhr in dichten Prozessorpaketen
Das Wärmemanagement ist zu einer der wichtigsten physikalischen Grenzen moderner Computerhardware geworden. Moderne Chiparchitekturen packen elektrische Schaltkreise dicht zusammen – insbesondere in stromhungrigen Systemen der künstlichen Intelligenz – und erzeugen lokale Hotspots, die die Leistung drosseln und elektronische Komponenten mit der Zeit beeinträchtigen. Hochreines einkristallines Diamant bietet bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von rund 2.000 Watt pro Meter-Kelvin, die um ein Mehrfaches höher liegt als die von Kupfer.
Aufgrund dieser thermischen Leistung kann einkristalliner Diamant als wirksamer Wärmeverteiler oder als Substrat direkt unter aktiven Silizium-Dies dienen, wie Interesting Engineering anmerkt. Diamant besitzt zudem eine breite Bandlücke von etwa 5,47 Elektronenvolt. Diese breite Bandlücke macht das Mineral für Hochspannungs- und Hochfrequenz-Leistungselektronik geeignet, die unter extremen elektrischen Bedingungen betrieben werden muss, ohne dass sie versagt.
Von der Rohprobe zum Fertigungs-Wafer
Die aktuelle ungeschliffene Scheibe dient als Entwicklungsprototyp und nicht als fertiges kommerzielles Produkt für Reinräume. Um in Chipfertigungslinien Einzug zu halten, müssen Hersteller das Rohmaterial polieren, eine gleichmäßige Dicke über den Durchmesser von 7,9 Zoll gewährleisten und die Defektdichten extrem niedrig halten. Auch die Dotierung von Diamant mit Verunreinigungen zur Steuerung seiner elektrischen Leitfähigkeit bleibt schwierig, sodass Diamant ein begleitendes thermisches Material bleibt und kein direkter Ersatz für Silizium ist.
Gestützt auf sein proprietäres Patentportfolio berichtete Diamond Foundry, die 200-mm-Größe mache einen künftigen 300-Millimeter-Wafer vorhersehbar, ohne jedoch ein Veröffentlichungsdatum oder Fertigungsdaten für diesen Durchmesser zu nennen. Um die industrielle Produktion hochzufahren, bereitet das Unternehmen eine 2,77 Milliarden Dollar teure Fertigungsanlage in Spanien vor, die durch das EU-Chips-Gesetz (European Chips Act) unterstützt wird, und will kommerzielle Halbleiterfoundries mit durchgehenden Diamantsubstraten beliefern.
Lesen Sie auch auf The Patent: Gepulster 3D-Druck erzeugt meterlange Einkristalle für extreme Hitze · Super-Aluminium mit 25-fach längerer Lebensdauer hergestellt
