近日，美國斯坦福大學研究團隊發現，在計算機芯片中添加金剛石層可以顯著增強熱傳遞，為速度更快、功能更強大的計算機鋪平了道路。該研究團隊將Si、SiO2、SiC等介電材料作為 GaN/金剛石和 Si/金剛石界面的熱界面緩沖層，結果發現可以通過設計中間層厚度和結晶度百分比來降低金剛石和 Si 之間的界面熱阻。這項研究的成果對于更好地理解聲子的物理特性至關重要。該研究團隊表示希望他們的發現能在未來幾年為現實世界的發展做出貢獻。相關研究成果以“Lossless Phonon Transition Through GaN-Diamond and Si-Diamond Interfaces”為題發表于Advanced Electronic Materials期刊。

       芯片，走向3D

       隨著硅技術接近原子尺度，摩爾定律的預測似乎走到盡頭。這也開啟了半導體行業技術挑戰與創新。在眾多超越摩爾定律的方法中，3D 集成電路 (IC) 和采用寬帶隙材料的異質集成 (HI) 是最可行的方法之一。

       我們知道，晶體管是電子電路中起開關或放大器作用的電子元件，是芯片的基礎。晶體管的數量與芯片性能息息相關，隨著它們達到原子尺度，進一步微型化變得更具挑戰性，迫使科學家重新思考芯片的設計和制造方式。

       在平面晶體管時代，22nm基本就是大家公認的極限，為了突破這個工藝極限，FinFET晶體管誕生了。世界上第一個3D三維晶體管是由英特爾在2011年5月宣布研制成功。事實上，從22nm工藝節點推出3D晶體管之后，芯片產業仿佛打通了任督二脈，Flash、封裝、甚至NAND，都開始走向3D，芯片3D時代悄然已至。

       “與其開發更小的芯片，不如將它們集成到 3D 結構中，這樣可以在同一塊計算機板上裝入比二維設計多出數十倍的芯片。然而，這種方法存在重大缺陷，因為擁擠的結構中會積聚過多的熱量。”斯坦福大學物理學教授、這項研究的其中一位作者 Srabanti Chowdhury 說道。

       該研究另一位作者，Mohamadali Malakoutian教授在一封電子郵件中表示，“3D 集成電路將多個芯片堆疊成一個設備，而異構集成將不同的材料組件集成到更高級別的組件中，兩者都提供了更低的功耗、更快的信號傳輸和更高的性能。 這些技術正在塑造半導體器件的未來，提供克服平面集成電路的物理、技術和經濟限制的解決方案。但由于元件（主要是晶體管）的自熱，高密度芯片的效率會大幅下降，”Malakoutian 說道。“計算機會因局部熱點而過早出現故障，對性能和使用壽命產生負面影響。”

       金剛石賦能芯片，解決熱傳遞問題

       由于 3D 集成電路采用堆疊設計，散熱問題更加嚴重。三維設計中增加的功耗和高設備密度會導致溫度升高，從而影響性能和可靠性。這一現象在大功率和高頻應用中更加突出。例如在射頻功率放大器 (PA) 中，GaN HEMT器件工作時，本身會產生一定的功率耗散，而這部分功率耗散將會在器件內部，尤其是在導電溝道處產生大量熱量使得器件結溫有明顯升高，晶格振動散射大大加強使得漂移區內的電子遷移率降低，器件導通電阻出現明顯上升，這種現象被稱作“自熱效應”。

       這些問題在常規的二維處理器設計中并不存在，這促使研究人員尋找全新的方法來冷卻計算芯片。

       因此，不管是Si-IC 還是 GaN-PA，都必須在盡可能靠近熱源的地方集成一個散熱器，以便有效地將聲子傳輸到散熱器，而不會破壞器件性能。

       為了解決 3D 計算機芯片過熱的問題，斯坦福大學研究團隊設計了新型處理器結構，其中芯片的計算層與金剛石層交錯，通過貫穿芯片所有層的金剛石“通孔”連接，協助器件散熱。

       對于 RF 晶體管來說，可以通過用單晶或多晶金剛石（由于其出色的熱導率，為 300-2200 W m?1  K?1 ）替換鈍化層來實現器件級熱管理，而在 Si IC 中，金剛石可以作為散熱器并入后端制程 (BEOL)，如圖所示 。芯片內部的熱量通過其組成材料的振動來傳遞，在微觀尺度上，這些材料可以被認為是稱為聲子的粒子，就像亞原子層面上的光是一組稱為光子的粒子一樣。然而，硅中聲子的性質與金剛石中聲子的性質截然不同。因此，它們之間的邊界對聲子的通過構成了一道堅硬的屏障，使聲子散射甚至反射回芯片。

       急需“中間層”

       也就是說，雖然金剛石具有高導熱性，但由于金剛石與其他半導體（如 Si、GaN、磷化銦 (InP) 和β氧化鎵 (β-Ga2O3)）的晶格和熱膨脹系數 (CTE) 不匹配，因此很難在金剛石與其他半導體之間實現完美界面（外延共價鍵），因此需要在這些半導體與金剛石之間進行界面工程。在此前，該研究團隊曾發現，在金剛石和芯片之間添加一層硅基層可以顯著降低界面熱阻。“我們對中間層進行了系統研究，德克薩斯大學達拉斯分校的合作者進行了分子動力學模擬，以了解其背后的物理原理，”Chowdhury 解釋道。“我們發現，設計納米厚度的碳化硅夾層可以顯著改善熱傳遞，因為這些夾層充當橋梁，促進聲子從硅芯片傳輸到金剛石散熱器。”該研究小組發現，最佳層間厚度為 2 至 7 納米，此時傳熱阻力最小。在此厚度下，層間聲子隧穿效應可大大促進傳熱，這是一種量子現象，其中粒子克服了傳統上難以克服或無法克服的障礙。  

            Chowdhury 總結道：“使用薄碳化硅中間層作為熱橋為增強緊湊、密集電子系統的熱管理開辟了新的可能性。此外，我們計劃擴展我們的熱管理解決方案，使5G和6G設備等新興技術受益，旨在提高它們的性能、可靠性和能源效率。”該團隊預計這些創新將在未來三到五年內融入到商業半導體制造工藝中。后續也將會進一步研究、開發和測試。