Даже дефект шириной всего один микрометр способен серьёзно нарушить отвод тепла внутри электроники. Исследователи MIT показали, что такая складка в тонкой плёнке может уменьшить локальную теплопроводность примерно в четыре–пять раз и создать скрытый тепловой «затор». В результате появляются опасные горячие точки, а тепло начинает распространяться неравномерно.
Современные чипы содержат всё больше транзисторов в крошечном объёме, и перегрев становится одним из главных ограничений производительности. «Я считаю, что перегрев превратился в настоящее узкое место в работе устройств», — отметил один из авторов работы, доцент MIT Минда Ли (Mingda Li).
Особенно сложно отслеживать тепло в реальных многослойных структурах. Обычные оптические методы часто дают лишь усреднённый сигнал с поверхности и плохо «видят» то, что происходит в глубоких слоях. Инфракрасные камеры тоже не обладают нужным пространственным и временным разрешением для таких мелких и быстрых процессов.
Как удалось увидеть проблему
Команда MIT совместила лазерные импульсы со сверхбыстрой рентгеновской дифракцией. Лазер быстро нагревает материал, а рентгеновские лучи фиксируют малейшие изменения в кристаллической решётке по мере распространения тепла. Поскольку нагрев слегка сдвигает атомы, меняется и картина дифракции. Измеряя эти изменения в разных точках и в разные моменты времени, исследователи восстановили картину движения тепла.
Метод позволил заглянуть внутрь слоёв, а не только на поверхность. Учёные изучили тепловой транспорт в плёнке нитрида галлия (GaN) толщиной 500 нанометров на кремнии — материале, перспективном для силовой электроники.
Что показал дефект
Во время изготовления в плёнке образовалась складка шириной около одного микрометра. Рядом с ней локальная теплопроводность упала до 21,2 Вт/(м·К) — примерно в четыре–пять раз ниже, чем в окружающем GaN. Кроме того, тепловая проводимость границы между GaN и кремнием снизилась примерно на 25 %.
Ещё важнее оказалось другое: тепло распространялось вокруг складки асимметрично. Поток с одной стороны вёл себя иначе, чем с противоположной. Локальный дефект превращал относительно однородный тепловой путь в направленное препятствие.
«Когда люди моделируют рассеивание тепла, они обычно представляют идеальные кристаллы без дефектов. Но такие крупные складки очень распространены в двумерных материалах. Раньше никто даже не знал, сколько тепла они блокируют. Теперь мы можем наблюдать это напрямую», — пояснил Ли.
Что дальше
Новый метод пока остаётся лабораторным и требует сложного рентгеновского оборудования. Он не готов заменить обычные промышленные тесты. Однако отраслевой консорциум уже проявил интерес к его использованию для изучения разных типов чипов.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает: для борьбы с перегревом недостаточно считать материалы идеально однородными. Нужно понимать, как именно крошечные дефекты и границы слоёв задерживают тепло. В условиях, когда вычислительная мощность всё плотнее упаковывается в маленькие объёмы — особенно в системах для искусственного интеллекта и силовой электроники, — такие скрытые «пробки» могут стать критическим ограничением.
