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(ceng)可以(yi)顯著(zhu)增強(qiang)熱傳遞(di)，為(wei)速度(du)更(geng)快、功能更(geng)強(qiang)大的(de)(de)計算機鋪平了道路。該研(yan)究團隊將Si、SiO2、SiC等介電材料(liao)作為(wei) GaN/金剛(gang)石(shi)和 Si/金剛(gang)石(shi)界面的(de)(de)熱界面緩沖層(ceng)，結果(guo)發(fa)現可以(yi)通過設(she)計中間(jian)層(ceng)厚度(du)和結晶度(du)百分比來降低(di)金剛(gang)石(shi)和 Si 之(zhi)間(jian)的(de)(de)界面熱阻。這項研(yan)究的(de)(de)成果(guo)對于(yu)更(geng)好地理解聲(sheng)子(zi)的(de)(de)物(wu)理特性至關重要(yao)。該研(yan)究團隊表示希望他們的(de)(de)發(fa)現能在未來幾年為(wei)現實世界的(de)(de)發(fa)展做出貢獻。相(xiang)關研(yan)究成果(guo)以(yi)“Lossless Phonon Transition Through GaN-Diamond and Si-Diamond Interfaces”為(wei)題發(fa)表于(yu)Advanced Electronic Materials期刊。

       芯片，走向3D

       隨(sui)著硅技(ji)(ji)術(shu)接近原子尺度，摩(mo)爾定律的(de)預(yu)測似乎(hu)走到盡(jin)頭。這(zhe)也開啟了半導體(ti)行業技(ji)(ji)術(shu)挑戰(zhan)與(yu)創新。在眾多超越摩(mo)爾定律的(de)方法中，3D 集(ji)成(cheng)電(dian)路 (IC) 和采用寬帶(dai)隙(xi)材料的(de)異質集(ji)成(cheng) (HI) 是最可行的(de)方法之一。

       我(wo)們知道，晶(jing)體管(guan)是電子電路(lu)中起開關或放大器作用的(de)(de)電子元件(jian)，是芯(xin)片的(de)(de)基(ji)礎。晶(jing)體管(guan)的(de)(de)數量與芯(xin)片性能息息相(xiang)關，隨著它們達到(dao)原子尺度，進一步微型化變(bian)得(de)更(geng)具挑戰性，迫使科學(xue)家(jia)重新思考芯(xin)片的(de)(de)設計和(he)制造方式。

       在平面晶體(ti)(ti)管時代(dai)，22nm基本就(jiu)是大家公認的極(ji)限(xian)，為了(le)突破這個(ge)工藝極(ji)限(xian)，FinFET晶體(ti)(ti)管誕生(sheng)了(le)。世界上(shang)第一個(ge)3D三維晶體(ti)(ti)管是由英(ying)特(te)爾在2011年5月宣(xuan)布研制成(cheng)功。事(shi)實上(shang)，從(cong)22nm工藝節點推出3D晶體(ti)(ti)管之后，芯片產業仿佛(fo)打通了(le)任督二(er)脈(mo)，Flash、封(feng)裝、甚(shen)至NAND，都開始走向3D，芯片3D時代(dai)悄(qiao)然已至。

       “與其開發更小的芯片(pian)，不(bu)如將它們(men)集成到(dao) 3D 結(jie)構(gou)中(zhong)，這樣(yang)可(ke)以在(zai)同(tong)一塊(kuai)計(ji)算機板(ban)上裝(zhuang)入比(bi)二維(wei)設計(ji)多出數十倍的芯片(pian)。然而，這種方法存在(zai)重大缺陷，因為擁擠的結(jie)構(gou)中(zhong)會積聚過多的熱量(liang)。”斯坦福(fu)大學物理學教授、這項研究的其中(zhong)一位作者 Srabanti Chowdhury 說(shuo)道。

       該研究另一位作者，Mohamadali Malakoutian教授在(zai)一封電子郵件(jian)中表(biao)示，“3D 集成電路(lu)將多個芯(xin)片(pian)(pian)堆疊(die)成一個設(she)備，而異構集成將不同的(de)(de)材料組件(jian)集成到更(geng)(geng)高級別的(de)(de)組件(jian)中，兩者都提供(gong)了更(geng)(geng)低的(de)(de)功(gong)耗、更(geng)(geng)快的(de)(de)信號傳輸和(he)更(geng)(geng)高的(de)(de)性能。 這些技術正在(zai)塑(su)造半導體(ti)器件(jian)的(de)(de)未(wei)來，提供(gong)克(ke)服平面(mian)集成電路(lu)的(de)(de)物理、技術和(he)經(jing)濟限制(zhi)的(de)(de)解決方案。但(dan)由于元件(jian)（主(zhu)要(yao)是晶體(ti)管）的(de)(de)自熱，高密(mi)度芯(xin)片(pian)(pian)的(de)(de)效率會大幅下(xia)降，”Malakoutian 說(shuo)道。“計(ji)算機會因局部熱點而過早(zao)出現故障，對性能和(he)使(shi)用壽命產生負(fu)面(mian)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(yong)堆(dui)疊設計，散(san)熱問題更加嚴(yan)重。三維設計中增加的(de)功(gong)耗(hao)和(he)(he)高設備(bei)密度(du)會導致溫(wen)度(du)升高，從而(er)影響性能和(he)(he)可靠性。這一現(xian)象在大(da)(da)功(gong)率(lv)和(he)(he)高頻應用(yong)中更加突出(chu)。例如在射頻功(gong)率(lv)放大(da)(da)器 (PA) 中，GaN HEMT器件(jian)工作時，本身會產(chan)生一定的(de)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)，而(er)這部分功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)將會在器件(jian)內(nei)部，尤其是在導電溝道處(chu)產(chan)生大(da)(da)量(liang)熱量(liang)使得器件(jian)結溫(wen)有明顯升高，晶(jing)格(ge)振動(dong)散(san)射大(da)(da)大(da)(da)加強(qiang)使得漂(piao)移(yi)區內(nei)的(de)電子遷移(yi)率(lv)降低，器件(jian)導通電阻出(chu)現(xian)明顯上(shang)升，這種現(xian)象被(bei)稱作“自熱效應”。

       這些問題在常規的(de)二維(wei)處理器設計(ji)中(zhong)并(bing)不存在，這促(cu)使研究人(ren)員尋找全新的(de)方(fang)法來冷(leng)卻(que)計(ji)算芯(xin)片。

       因此，不管是Si-IC 還是 GaN-PA，都必(bi)須(xu)在盡可能(neng)靠近熱(re)(re)源(yuan)的地(di)方集成(cheng)一個散熱(re)(re)器(qi)(qi)，以便有效地(di)將聲子(zi)傳輸到(dao)散熱(re)(re)器(qi)(qi)，而不會破壞器(qi)(qi)件性能(neng)。

       為了解(jie)決 3D 計算機芯片(pian)過熱的(de)問題(ti)，斯坦福大學研(yan)究團隊(dui)設(she)計了新型處理器結(jie)構，其中芯片(pian)的(de)計算層與金剛石層交(jiao)錯，通(tong)過貫穿芯片(pian)所有層的(de)金剛石“通(tong)孔”連接，協助器件散熱。

       對于(yu) RF 晶體管(guan)來(lai)說，可以通過用單晶或多(duo)晶金剛石(shi)（由于(yu)其(qi)出色的(de)熱(re)導率，為(wei) 300-2200 W m?1  K?1 ）替換鈍化層來(lai)實現器件級熱(re)管(guan)理，而在 Si IC 中(zhong)，金剛石(shi)可以作為(wei)散熱(re)器并入后端制程 (BEOL)，如(ru)圖所示 。芯片內部的(de)熱(re)量通過其(qi)組(zu)成材(cai)料(liao)的(de)振動(dong)來(lai)傳遞(di)，在微觀尺度上(shang)，這些材(cai)料(liao)可以被認為(wei)是稱(cheng)為(wei)聲(sheng)子(zi)(zi)的(de)粒(li)子(zi)(zi)，就像亞原(yuan)子(zi)(zi)層面上(shang)的(de)光是一(yi)組(zu)稱(cheng)為(wei)光子(zi)(zi)的(de)粒(li)子(zi)(zi)一(yi)樣。然(ran)而，硅中(zhong)聲(sheng)子(zi)(zi)的(de)性(xing)質(zhi)與金剛石(shi)中(zhong)聲(sheng)子(zi)(zi)的(de)性(xing)質(zhi)截然(ran)不(bu)同。因此，它(ta)們之(zhi)間的(de)邊(bian)界對聲(sheng)子(zi)(zi)的(de)通過構成了一(yi)道(dao)堅(jian)硬(ying)的(de)屏障，使聲(sheng)子(zi)(zi)散射甚(shen)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(yi)(yi)顯著改善熱傳(chuan)(chuan)(chuan)遞，因為這些(xie)夾層充當橋梁(liang)，促進(jin)聲子(zi)(zi)從硅芯片傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)到金剛(gang)石散熱器。”該研(yan)究小(xiao)組(zu)發現，最佳(jia)層間(jian)厚度(du)為 2 至 7 納米，此時傳(chuan)(chuan)(chuan)熱阻力最小(xiao)。在(zai)此厚度(du)下，層間(jian)聲子(zi)(zi)隧(sui)穿效應(ying)可大大促進(jin)傳(chuan)(chuan)(chuan)熱，這是一種量子(zi)(zi)現象，其中粒(li)子(zi)(zi)克服了傳(chuan)(chuan)(chuan)統(tong)上難以(yi)(yi)克服或無法克服的(de)障礙(ai)。  

            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。