近日，美國斯坦福大學研究團隊發(fā)現(xiàn)，在計算機芯片中添加金剛石層可以顯著增強熱傳遞，為速度更快、功能更強大的計算機鋪平了道路。

       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，散熱問題更加嚴重。三維設(shè)計中增加的功耗和高設(shè)備密度會導致溫度升高，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散熱器，以便有效地將聲子傳輸?shù)缴崞鳎粫茐钠骷阅堋?/p>

       為了解決 3D 計算機芯片過熱的問題，斯坦福大學研究團隊設(shè)計了新型處理器結(jié)構(gòu)，其中芯片的計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（由于其出色的熱導率 300-2200 W m?1  K?1 ）替換鈍化層來實現(xiàn)器件級熱管理，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(shù) (CTE) 不匹配，因此很難在金剛石與其他半導體之間實現(xiàn)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。

       該研究團隊曾發(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)計納米厚度的碳化硅夾層可以顯著改善熱傳遞，因為這些夾層充當橋梁，促進聲子從硅芯片傳輸?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為增強緊湊、密集電子系統(tǒng)的熱管理開辟了新的可能性。此外，我們計劃擴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?！?/p>

       該團隊預(yù)計這些創(chuàng)新將在未來三到五年內(nèi)融入到商業(yè)半導體制造工藝中，為3D計算機發(fā)展打開新的思路。