芯耀
与非AI
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后摩尔时代，随着AI算力需求快速增长，高性能计算对3D异质集成架构的依赖不断加深，芯片内部的纳米尺度界面键合与热传输问题，也逐渐成为先进半导体领域的重要研究方向。
近日，牛津大学出版社旗下《National Science Review》发表Research Highlight文章《Empowering semiconductor chips via diamond-integrated near-junction cooling》，作者为香港大学机械工程系陆洋（Yang Lu）和梁文俊（Wenjun Liang）。文章聚焦金刚石集成近结冷却技术，探讨其在下一代半导体热管理中的应用潜力。
图1. 集成金刚石热管理解决方案的多尺度框架。(a) 纳米尺度界面共价键、界面声子模不匹配及耦合机制的示意图。(b) 晶圆级金刚石集成技术，可实现近结热管理及局部热点散热。(c) 在电动交通、卫星通信、电网系统、集成电路和人工智能数据中心中的典型应用。
文章指出，金刚石具有极高的热导率，是目前已知热导性能最突出的材料之一。同时，金刚石还具有超宽禁带和超高击穿场强，因此不仅能够帮助芯片快速散热，也有望在未来异质集成中抑制串扰和漏电。
这一优势对于新型功率半导体尤为重要。以β-Ga₂O₃为例，其具备较大的禁带宽度和较高的击穿场强，但本征热导率较低，器件工作过程中容易形成严重的热局域，从而限制其性能进一步释放。
针对这一问题，文章介绍了郑州大学单崇新教授、程少博教授团队与北京大学高鹏教授合作开展的研究。团队提出一种利用化学气相沉积（CVD）实现的镓介导外延路径，将金刚石与β-Ga₂O₃进行异质集成。
研究显示，该方法能够形成原子级平整、共价键合的异质界面，并表现出较低的界面热阻和较高的键合强度。这意味着热量能够更加高效地跨越材料界面传输，为β-Ga₂O₃等低热导半导体提供新的散热路径。
值得关注的是，该研究不仅关注“如何把金刚石集成到芯片附近”，还进一步揭示了界面处声子驱动热传输的原子尺度机制。研究团队结合高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和振动电子能量损失谱（EELS），对异质界面的热传输过程进行了实验观测。
这使界面热传输研究从过去主要依赖理论模拟，进一步走向真实空间中的原子尺度验证，也为理解共价键合界面中的声子模式传输提供了新的实验依据。文章认为，该工作有望进一步推动基于界面共价键合和声子模式传输的芯片级热管理方案。
在此基础上，研究进一步指向晶圆级金刚石集成。通过将金刚石引入器件结区附近，可以建立更加直接的散热通道，实现近结热管理以及局部热点的高效耗散。
从应用前景来看，这一思路并不局限于β-Ga₂O₃。文章指出，GaN、β-Ga₂O₃、AlN、AlGaN、ZnO以及二维材料等新兴半导体同样面临热管理瓶颈，金刚石集成有望帮助这些材料进一步拓展在高压功率电子、高频器件以及下一代逻辑芯片中的应用潜力。
更进一步，文章还提到，微加工单晶金刚石已经被证明能够承受超大弹性应变，并可对其电子能带结构产生显著调制。未来，将异质集成与金刚石深度弹性应变工程结合，可能进一步实现对声子输运和界面热耗散的主动调控。
总体来看，这项工作展现了一条从“金刚石高热导材料”走向“芯片级近结散热平台”的技术路径：通过原子尺度界面键合降低热阻，再借助晶圆级集成将金刚石引入器件热源附近。
随着AI、高频通信、高压功率电子以及先进量子平台持续发展，芯片散热正从封装级问题逐步向器件结区和异质界面深入。金刚石与宽禁带、超宽禁带半导体的深度融合，也有望成为下一代高性能芯片热管理的重要技术方向。
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