金刚石赋能！制造高效的3D计算机芯片

近日，美国斯坦福大学研究团队发现，在计算机芯片中添加金刚石层可以显著增强热传递，为速度更快、功能更强大的计算机铺平了道路。

该研究团队将Si、SiO2、SiC等介电材料作为 GaN/金刚石和 Si/金刚石界面的热界面缓冲层，结果发现可以通过设计中间层厚度和结晶度百分比来降低金刚石和 Si 之间的界面热阻。这项研究的成果对于更好地理解声子的物理特性至关重要。该研究团队表示希望他们的发现能在未来几年为现实世界的发展做出贡献。相关研究成果以“Lossless Phonon Transition Through GaN-Diamond and Si-Diamond Interfaces”为题发表于Advanced Electronic Materials期刊。

   芯片，走向3D

随着硅技术接近原子尺度，摩尔定律的预测似乎走到尽头。这也开启了半导体行业技术挑战与创新。在众多超越摩尔定律的方法中，3D 集成电路 (IC) 和采用宽带隙材料的异质集成 (HI) 是最可行的方法之一。

我们知道，晶体管是电子电路中起开关或放大器作用的电子元件，是芯片的基础。晶体管的数量与芯片性能息息相关，随着它们达到原子尺度，进一步微型化变得更具挑战性，迫使科学家重新思考芯片的设计和制造方式。

在平面晶体管时代，22nm基本就是大家公认的极限，为了突破这个工艺极限，FinFET晶体管诞生了。世界上第一个3D三维晶体管是由英特尔在2011年5月宣布研制成功。事实上，从22nm工艺节点推出3D晶体管之后，芯片产业仿佛打通了任督二脉，Flash、封装、甚至NAND，都开始走向3D，芯片3D时代悄然已至。

“与其开发更小的芯片，不如将它们集成到 3D 结构中，这样可以在同一块计算机板上装入比二维设计多出数十倍的芯片。然而，这种方法存在重大缺陷，因为拥挤的结构中会积聚过多的热量。”斯坦福大学物理学教授、这项研究的其中一位作者 Srabanti Chowdhury 说道。

该研究另一位作者，Mohamadali Malakoutian教授在一封电子邮件中表示，“3D 集成电路将多个芯片堆叠成一个设备，而异构集成将不同的材料组件集成到更高级别的组件中，两者都提供了更低的功耗、更快的信号传输和更高的性能。 这些技术正在塑造半导体器件的未来，提供克服平面集成电路的物理、技术和经济限制的解决方案。但由于元件（主要是晶体管）的自热，高密度芯片的效率会大幅下降，”Malakoutian 说道。“计算机会因局部热点而过早出现故障，对性能和使用寿命产生负面影响。”

   金刚石赋能芯片，解决热传递问题

由于 3D 集成电路采用堆叠设计，散热问题更加严重。三维设计中增加的功耗和高设备密度会导致温度升高，从而影响性能和可靠性。这一现象在大功率和高频应用中更加突出。例如在射频功率放大器 (PA) 中，GaN HEMT器件工作时，本身会产生一定的功率耗散，而这部分功率耗散将会在器件内部，尤其是在导电沟道处产生大量热量使得器件结温有明显升高，晶格振动散射大大加强使得漂移区内的电子迁移率降低，器件导通电阻出现明显上升，这种现象被称作“自热效应”。

这些问题在常规的二维处理器设计中并不存在，这促使研究人员寻找全新的方法来冷却计算芯片。

因此，不管是Si-IC 还是 GaN-PA，都必须在尽可能靠近热源的地方集成一个散热器，以便有效地将声子传输到散热器，而不会破坏器件性能。

为了解决 3D 计算机芯片过热的问题，斯坦福大学研究团队设计了新型处理器结构，其中芯片的计算层与金刚石层交错，通过贯穿芯片所有层的金刚石“通孔”连接，协助器件散热。

对于 RF 晶体管来说，可以通过用单晶或多晶金刚石（由于其出色的热导率，为 300-2200 W m−1  K−1 ）替换钝化层来实现器件级热管理，而在 Si IC 中，金刚石可以作为散热器并入后端制程 (BEOL)。芯片内部的热量通过其组成材料的振动来传递，在微观尺度上，这些材料可以被认为是称为声子的粒子，就像亚原子层面上的光是一组称为光子的粒子一样。然而，硅中声子的性质与金刚石中声子的性质截然不同。因此，它们之间的边界对声子的通过构成了一道坚硬的屏障，使声子散射甚至反射回芯片。

   急需“中间层”

也就是说，虽然金刚石具有高导热性，但由于金刚石与其他半导体（如 Si、GaN、磷化铟 (InP) 和β氧化镓 (β-Ga2O3)）的晶格和热膨胀系数 (CTE) 不匹配，因此很难在金刚石与其他半导体之间实现完美界面（外延共价键），因此需要在这些半导体与金刚石之间进行界面工程。在此前，该研究团队曾发现，在金刚石和芯片之间添加一层硅基层可以显著降低界面热阻。“我们对中间层进行了系统研究，德克萨斯大学达拉斯分校的合作者进行了分子动力学模拟，以了解其背后的物理原理，”Chowdhury 解释道。“我们发现，设计纳米厚度的碳化硅夹层可以显著改善热传递，因为这些夹层充当桥梁，促进声子从硅芯片传输到金刚石散热器。”该研究小组发现，最佳层间厚度为 2 至 7 纳米，此时传热阻力最小。在此厚度下，层间声子隧穿效应可大大促进传热，这是一种量子现象，其中粒子克服了传统上难以克服或无法克服的障碍。

Chowdhury 总结道：“使用薄碳化硅中间层作为热桥为增强紧凑、密集电子系统的热管理开辟了新的可能性。此外，我们计划扩展我们的热管理解决方案，使5G和6G设备等新兴技术受益，旨在提高它们的性能、可靠性和能源效率。”该团队预计这些创新将在未来三到五年内融入到商业半导体制造工艺中。后续也将会进一步研究、开发和测试。