金刚石赋能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。

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。

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。

但由于 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。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 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)，如下图：

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。

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，为3D计算机发展打开新的思路。

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