近日，美國(guó)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。

       相關(guān)研究成果以“Lossless Phonon Transition Through GaN-Diamond and Si-Diamond Interfaces”為題發(fā)表于Advanced Electronic Materials期刊。

       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) 是最可行的方法之一。

       但由于 3D 集成電路采用堆疊設(shè)計(jì)，散熱問(wèn)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(huì)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。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(gè)散熱器，以便有效地將聲子傳輸?shù)缴崞鳎粫?huì)破壞器件性能。

       為了解決 3D 計(jì)算機(jī)芯片過(guò)熱的問(wèn)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(cuò)，通過(guò)貫穿芯片所有層的金剛石“通孔”連接，協(xié)助器件散熱。

       對(duì)于 RF 晶體管來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)用單晶或多晶金剛石（由于其出色的熱導(dǎo)率 300-2200 W m?1  K?1 ）替換鈍化層來(lái)實(shí)現(xiàn)器件級(jí)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)，如下圖：

       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)完美界面（外延共價(jià)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。

       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。

       “我們發(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崞鳌！痹撗芯啃〗M發(fā)現(xiàn)，最佳層間厚度為 2 至 7 納米，此時(shí)傳熱阻力最小。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(wú)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(kāi)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(lái)三到五年內(nèi)融入到商業(yè)半導(dǎo)體制造工藝中，為3D計(jì)算機(jī)發(fā)展打開(kāi)新的思路。