Diamond Foundry ha annunciato la realizzazione del primo diamante monocristallino al mondo con un diametro di 200 millimetri. Si tratta di un risultato che potrebbe segnare un passaggio importante nello sviluppo di nuovi materiali per l’industria dei semiconduttori, in quanto rende possibile produrre substrati di diamante su dimensioni paragonabili a quelle dei wafer utilizzati nelle moderne fabbriche di chip.
Il campione, denominato D200mm, è stato ottenuto sotto forma di un unico cristallo continuo. La sua realizzazione è il risultato di un programma di ricerca e sviluppo durato complessivamente 25 anni, che ha richiesto progressi nella fisica del plasma, nella progettazione dei reattori e nel controllo dei processi di crescita.
Il diamante possiede caratteristiche particolarmente interessanti per l’elettronica. Combina infatti una conducibilità termica molto elevata con un’eccezionale resistenza meccanica, proprietà isolanti e caratteristiche ottiche che potrebbero trovare applicazione anche nei sistemi quantistici. Il materiale è inoltre considerato un candidato per dispositivi elettronici capaci di operare in condizioni particolarmente impegnative.
Nonostante queste proprietà siano conosciute da tempo, l’impiego industriale del diamante ha dovuto fare i conti con un limite fondamentale: la difficoltà di ottenere cristalli monocristallini di grandi dimensioni.
La disponibilità di diamanti naturali dipende da processi geologici, mentre le tecniche convenzionali di produzione sintetica hanno storicamente permesso di realizzare cristalli relativamente piccoli. Una limitazione significativa per un settore come quello dei semiconduttori, nel quale la possibilità di lavorare materiali su scala wafer è essenziale per ottenere dispositivi in modo ripetibile ed economicamente sostenibile.
L’evoluzione dei wafer di silicio verso dimensioni sempre maggiori ha contribuito a trasformare l’industria elettronica, permettendo di integrare un numero crescente di dispositivi in ogni singolo ciclo produttivo. Diamond Foundry punta ora a trasferire un approccio analogo al diamante monocristallino.
Per raggiungere i 200 mm è stato necessario intervenire su diversi aspetti tecnologici, tra cui generazione del plasma, chimica della crescita, architettura dei reattori, ingegneria dei cristalli, gestione termica, metrologia e automazione dei processi produttivi.
Il risultato affonda le proprie radici nel lavoro di Stefan Gsell e Martin Fischer. I due ricercatori sono entrati in Diamond Foundry nel 2022, in seguito all’acquisizione di Augsburg Diamond Technology (Audiatec). L’operazione ha permesso di integrare le loro competenze nella crescita dei cristalli con le tecnologie dei reattori e le capacità produttive dell’azienda.
Martin Roscheisen, CEO di Diamond Foundry Inc., ha sottolineato il valore del traguardo: “Questo è uno di quei risultati che un tempo sembravano quasi impossibili. Centinaia di ingegneri, scienziati e tecnici di DF hanno contribuito a raggiungerlo. È il risultato cumulativo di innumerevoli esperimenti, fallimenti, invenzioni, macchinari ricostruiti e conoscenze acquisite nel corso di oltre un decennio”.
Roscheisen ha inoltre ricordato la perseveranza dei due ricercatori: “Stefan e Martin hanno perseguito questo obiettivo per 25 anni. Ci sono pochissimi esempi nella storia della tecnologia di persone che abbiano insistito con tanta determinazione su una sfida scientifica così difficile. Hanno continuato anche quando l’opinione prevalente era che non fosse semplicemente possibile realizzare diamanti monocristallini di queste dimensioni”.
Il CEO ha aggiunto che il risultato rende prevedibile anche il raggiungimento di un diametro di 300 mm, un passaggio che avvicinerebbe ulteriormente il diamante alle dimensioni dei wafer impiegati nelle fabbriche di semiconduttori più avanzate.
Una delle applicazioni potenzialmente più interessanti riguarda i sistemi di calcolo ad alte prestazioni e, in particolare, gli acceleratori per l’intelligenza artificiale.
I processori moderni concentrano quantità crescenti di potenza in superfici molto ridotte, generando densità termiche che rendono sempre più complessa la gestione del calore. La conducibilità termica del diamante potrebbe consentire di distribuire l’energia termica in modo più efficiente direttamente a livello del materiale, aprendo la strada a nuove architetture per i chip, maggiori densità di potenza e potenziali miglioramenti in termini di affidabilità e raffreddamento.
In passato si era parlato di un test di laboratorio nel quale una GPU NVIDIA di fascia alta non meglio specificata ha restituito “prestazioni tre volte maggiori“ rispetto allo stesso chip realizzato con i materiali produttivi attuali. Più in particolare, sembra che il chip abbia operato con un base clock tre volte superiore a quello standard, quindi a frequenze oggi fuori portata.
Diamond Foundry sta sviluppando diamanti monocristallini destinati ai semiconduttori e ad altre tecnologie avanzate, facendo leva sulla combinazione di proprietà termiche, meccaniche, elettriche e ottiche del materiale.
Il D200mm rappresenta quindi soprattutto la dimostrazione che è possibile superare uno dei principali ostacoli alla produzione industriale del diamante. Non significa che i processori in diamante siano già pronti per il mercato: serviranno ulteriori sviluppi per trasformare questa capacità produttiva in substrati utilizzabili nelle applicazioni commerciali.