近日，美國斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)芯片中添加金剛石層可以顯著增強(qiáng)熱傳遞，為速度更快、功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)鋪平了道路。該研究團(tuán)隊(duì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)可以通過設(shè)計(jì)中間層厚度和結(jié)晶度百分比來降低金剛石和Si之間的界面熱阻。

這項(xiàng)研究的成果對于更好地理解聲子的物理特性至關(guān)重要。該研究團(tuán)隊(duì)表示希望他們的發(fā)現(xiàn)能在未來幾年為現(xiàn)實(shí)世界的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

相關(guān)研究成果以“LosslessPhononTransitionThroughGaN-DiamondandSi-DiamondInterfaces”為題發(fā)表于AdvancedElectronicMaterials期刊。

芯片，走向3D

隨著硅技術(shù)接近原子尺度，摩爾定律的預(yù)測似乎走到盡頭。這也開啟了半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)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(zhì)集成(HI)是*可行的方法之一。

我們知道，晶體管是電子電路中起開關(guān)或放大器作用的電子元件，是芯片的基礎(chǔ)。晶體管的數(shù)量與芯片性能息息相關(guān)，隨著它們達(dá)到原子尺度，進(jìn)一步微型化變得更具挑戰(zhàn)性，迫使科學(xué)家重新思考芯片的設(shè)計(jì)和制造方式。

在平面晶體管時代，22nm基本就是大家公認(rèn)的極限，為了突破這個工藝極限，FinFET晶體管誕生了。世界上*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(shí)上，從22nm工藝節(jié)點(diǎn)推出3D晶體管之后，芯片產(chǎn)業(yè)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(fā)更小的芯片，不如將它們集成到3D結(jié)構(gòu)中，這樣可以在同一塊計(jì)算機(jī)板上裝入比二維設(shè)計(jì)多出數(shù)十倍的芯片。然而，這種方法存在重大缺陷，因?yàn)閾頂D的結(jié)構(gòu)中會積聚過多的熱量。”斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授、這項(xiàng)研究的其中一位作者SrabantiChowdhury說道。

該研究另一位作者，MohamadaliMalakoutian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(shè)備，而異構(gòu)集成將不同的材料組件集成到更*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(shù)正在塑造半導(dǎo)體器件的未來，提供克服平面集成電路的物理、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)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�！坝�(jì)算機(jī)會因局部熱點(diǎn)而過早出現(xiàn)故障，對性能和使用壽命產(chǎn)生負(fù)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(shè)計(jì)，散熱問題更加嚴(yán)重。三維設(shè)計(jì)中增加的功耗和高設(shè)備密度會導(dǎo)致溫度升高，從而影響性能和可靠性。這一現(xiàn)象在大功率和高頻應(yīng)用中更加突出。例如在射頻功率放大器(PA)中，GaNHEMT器件工作時，本身會產(chǎn)生一定的功率耗散，而這部分功率耗散將會在器件內(nèi)部，尤其是在導(dǎo)電溝道處產(chǎn)生大量熱量使得器件結(jié)溫有明顯升高，晶格振動散射大大加強(qiáng)使得漂移區(qū)內(nèi)的電子遷移率降低，器件導(dǎo)通電阻出現(xiàn)明顯上升，這種現(xiàn)象被稱作“自熱效應(yīng)”。

這些問題在常規(guī)的二維處理器設(shè)計(jì)中并不存在，這促使研究人員尋找全新的方法來冷卻計(jì)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?shù)缴�熱器，而不會破壞器件性能�?/span>

為了解決3D計(jì)算機(jī)芯片過熱的問題，斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新型處理器結(jié)構(gòu)，其中芯片的計(jì)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(xié)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(dǎo)率，為300-2200Wm?1K?1）替換鈍化層來實(shí)現(xiàn)器件級熱管理，而在SiIC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(nèi)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(rèn)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(zhì)與金剛石中聲子的性質(zhì)截然不同。因此，它們之間的邊界對聲子的通過構(gòu)成了一道堅(jiān)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(dǎo)熱性，但由于金剛石與其他半導(dǎo)體（如Si、GaN、磷化銦(InP)和β氧化鎵(β-Ga2O3)）的晶格和熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配，因此很難在金剛石與其他半導(dǎo)體之間實(shí)現(xiàn)*界面（外延共價鍵），因此需要在這些半導(dǎo)體與金剛石之間進(jìn)行界面工程。

在此前，該研究團(tuán)隊(duì)曾發(fā)現(xiàn)，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(jìn)行了系統(tǒng)研究，德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的合作者進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬，以了解其背后的物理原理，”Chowdhury解釋道�！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)納米厚度的碳化硅夾層可以顯著改善熱傳遞，因?yàn)檫@些夾層充當(dāng)橋梁，促進(jìn)聲子從硅芯片傳輸?shù)浇饎偸�散熱器�！?/span>

該研究小組發(fā)現(xiàn)，*佳層間厚度為2至7納米，此時傳熱阻力*小。在此厚度下，層間聲子隧穿效應(yīng)可大大促進(jìn)傳熱，這是一種量子現(xiàn)象，其中粒子克服了傳統(tǒng)上難以克服或無法克服的障礙。

Chowdhury總結(jié)道：“使用薄碳化硅中間層作為熱橋?yàn)樵鰪?qiáng)緊湊、密集電子系統(tǒng)的熱管理開辟了新的可能性。此外，我們計(jì)劃擴(kuò)展我們的熱管理解決方案，使5G和6G設(shè)備等新興技術(shù)受益，旨在提高它們的性能、可靠性和能源效率�！�

該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)這些創(chuàng)新將在未來三到五年內(nèi)融入到商業(yè)半導(dǎo)體制造工藝中。后續(xù)也將會進(jìn)一步研究、開發(fā)和測試。