金剛石賦能！制造高效的3D計(jì)算機(jī)芯片

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。

該研究團(tuán)隊(duì)將Si、SiO2、SiC等介電材料作為 GaN/金剛石和 Si/金剛石界面的熱界面緩沖層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)設(shè)計(jì)中間層厚度和結(jié)晶度百分比來(lái)降低金剛石和 Si 之間的界面熱阻。這項(xiàng)研究的成果對(duì)于更好地理解聲子的物理特性至關(guān)重要。該研究團(tuán)隊(duì)表示希望他們的發(fā)現(xiàn)能在未來(lái)幾年為現(xiàn)實(shí)世界的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。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。

?? 芯片，走向3D

隨著硅技術(shù)接近原子尺度，摩爾定律的預(yù)測(cè)似乎走到盡頭。這也開(kāi)啟了半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新。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。

我們知道，晶體管是電子電路中起開(kāi)關(guān)或放大器作用的電子元件，是芯片的基礎(chǔ)。晶體管的數(shù)量與芯片性能息息相關(guān)，隨著它們達(dá)到原子尺度，進(jìn)一步微型化變得更具挑戰(zhàn)性，迫使科學(xué)家重新思考芯片的設(shè)計(jì)和制造方式。

在平面晶體管時(shí)代，22nm基本就是大家公認(rèn)的極限，為了突破這個(gè)工藝極限，FinFET晶體管誕生了。世界上第一個(gè)3D三維晶體管是由英特爾在2011年5月宣布研制成功。事實(shí)上，從22nm工藝節(jié)點(diǎn)推出3D晶體管之后，芯片產(chǎn)業(yè)仿佛打通了任督二脈，F(xiàn)lash、封裝、甚至NAND，都開(kāi)始走向3D，芯片3D時(shí)代悄然已至。

“與其開(kāi)發(fā)更小的芯片，不如將它們集成到 3D 結(jié)構(gòu)中，這樣可以在同一塊計(jì)算機(jī)板上裝入比二維設(shè)計(jì)多出數(shù)十倍的芯片。然而，這種方法存在重大缺陷，因?yàn)閾頂D的結(jié)構(gòu)中會(huì)積聚過(guò)多的熱量?！彼固垢４髮W(xué)物理學(xué)教授、這項(xiàng)研究的其中一位作者 Srabanti Chowdhury 說(shuō)道。

該研究另一位作者，Mohamadali Malakoutian教授在一封電子郵件中表示，“3D 集成電路將多個(gè)芯片堆疊成一個(gè)設(shè)備，而異構(gòu)集成將不同的材料組件集成到更高級(jí)別的組件中，兩者都提供了更低的功耗、更快的信號(hào)傳輸和更高的性能。?這些技術(shù)正在塑造半導(dǎo)體器件的未來(lái)，提供克服平面集成電路的物理、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)限制的解決方案。但由于元件（主要是晶體管）的自熱，高密度芯片的效率會(huì)大幅下降，”Malakoutian 說(shuō)道?！坝?jì)算機(jī)會(huì)因局部熱點(diǎn)而過(guò)早出現(xiàn)故障，對(duì)性能和使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響?！?/p>

?? 金剛石賦能芯片，解決熱傳遞問(wèn)題

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。例如在射頻功率放大器 (PA) 中，GaN?HEMT器件工作時(shí)，本身會(huì)產(chǎn)生一定的功率耗散，而這部分功率耗散將會(huì)在器件內(nèi)部，尤其是在導(dǎo)電溝道處產(chǎn)生大量熱量使得器件結(jié)溫有明顯升高，晶格振動(dòng)散射大大加強(qiáng)使得漂移區(qū)內(nèi)的電子遷移率降低，器件導(dǎo)通電阻出現(xiàn)明顯上升，這種現(xiàn)象被稱(chēng)作“自熱效應(yīng)”。

這些問(wèn)題在常規(guī)的二維處理器設(shè)計(jì)中并不存在，這促使研究人員尋找全新的方法來(lái)冷卻計(jì)算芯片。

因此，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?，而不?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，為 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)。芯片內(nèi)部的熱量通過(guò)其組成材料的振動(dòng)來(lái)傳遞，在微觀(guān)尺度上，這些材料可以被認(rèn)為是稱(chēng)為聲子的粒子，就像亞原子層面上的光是一組稱(chēng)為光子的粒子一樣。然而，硅中聲子的性質(zhì)與金剛石中聲子的性質(zhì)截然不同。因此，它們之間的邊界對(duì)聲子的通過(guò)構(gòu)成了一道堅(jiān)硬的屏障，使聲子散射甚至反射回芯片。

???急需“中間層”

也就是說(shuō)，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。在此前，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。“我們對(duì)中間層進(jìn)行了系統(tǒng)研究，德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的合作者進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，以了解其背后的物理原理，”Chowdhury 解釋道?！拔覀儼l(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??！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。后續(xù)也將會(huì)進(jìn)一步研究、開(kāi)發(fā)和測(cè)試。