钻石导热性：芯片冷却的新时代
今天的惊人计算能力正让我们从人类智能迈向人工智能。随着机器获得更多能力，它们不仅成为工具，更成为塑造我们未来的决策者。
但强大的能力伴随着巨大的...热量！
当纳米级晶体管以千兆赫兹速度切换时，电子在电路中竞速，以热量形式损失能量——当你的笔记本电脑或手机烫到手指时就能感受到。随着我们在芯片上塞入越来越多晶体管，我们已经没有空间有效释放这些热量。热量无法快速在硅片上扩散（这会使散热更容易），而是积聚形成热点，可能比芯片其他部分温度高数十度。这种极端热量迫使系统限制CPU和GPU的性能，以避免芯片性能下降。
换句话说，始于微型化的追求已转变为对抗热能的战斗。这一挑战遍及所有电子设备。在计算领域，高性能处理器需要不断增加的功率密度。在通信领域，数字和模拟系统都推动晶体管提供更多功率以实现更强信号和更快数据速率。在用于能量转换和分配的功率电子中，效率提升正受到热约束的抵消。
芯片中热量的产生与传递
热量产生于晶体管及其连接它们的互连中，因为电流遇到电阻。这意味着大部分热量在半导体衬底表面附近产生。从那里，根据封装架构，热量要么通过金属和绝缘层上升，要么通过半导体本身上升。然后热量遇到热界面材料，该材料设计用于在热量最终到达散热器、散热片或某种液体冷却装置之前将其扩散，在那里空气或流体将热量带走。
当今主导的冷却策略集中在散热器、风扇和散热片的进步上。为了追求更好的冷却效果，研究人员探索了使用微流体通道的液体冷却和使用相变材料去除热量。一些计算机集群甚至将服务器浸入导热、介电（电绝缘）液体中。
这些创新是向前迈出的关键步骤，但仍然存在局限性。有些非常昂贵，仅对最高性能的芯片有价值；其他的对于这项工作来说太笨重。而且随着我们转向类似硅摩天大楼的芯片架构（堆叠多层芯片），这些方法可能都不太有效。这种3D系统的可行性取决于我们从每一层中去除热量的能力。
大问题是芯片材料是差的热导体，因此热量被捕获和集中，导致芯片内温度飙升。在较高温度下，晶体管泄漏更多电流，浪费功率；它们老化也更快。
钻石散热层的突破
与其让热量积聚，如果我们能从一开始就在芯片内部将其扩散会怎样？——就像将一杯沸水倒入游泳池中稀释它。扩散热量将降低最关键设备和电路的温度，并让其他经过时间考验的冷却技术更有效地工作。要做到这一点，我们必须在IC内部引入高导热材料，距离晶体管仅几纳米，而不会破坏它们任何非常精确和敏感的特性。
进入一种意想不到的材料——钻石。
在某些方面，钻石是理想的。它是地球上导热性最好的材料之一——比铜高效许多倍——但它也是电绝缘的。然而，将其集成到芯片中很棘手：直到最近，我们只知道如何在超过1000°C的会损坏电路的温度下生长它。
但我们在斯坦福大学的研究团队实现了看似不可能的事情。我们现在可以在足够低的温度下直接在半导体设备上生长适合散热的钻石形式，即使最先进芯片中最精致的互连也能存活。需要明确的是，这不是你在珠宝中看到的那种钻石，那是大型单晶。我们的钻石是多晶涂层，厚度不超过几微米。
潜在好处可能巨大。在我们一些最早的氮化镓射频晶体管中，添加钻石使设备温度降低了50°C以上。在较低温度下，晶体管放大X波段射频信号的能力是以前的五倍。我们认为我们的钻石对先进的CMOS芯片将更加重要。研究人员预测，即将到来的芯片制造技术可能会使热点温度升高近10°C。这可能就是为什么我们的研究引起了芯片行业的浓厚兴趣。
如何制造钻石
在我们实验室转向开发钻石作为散热材料之前，我们正在研究它作为半导体。在其单晶形式中——就像你手指上的那种——它具有宽禁带和承受巨大电场的能力。单晶钻石也提供了一些在任何材料中记录的最高导热性，达到2200至2400瓦/米·开尔文——大约是铜的六倍。多晶钻石——一种更容易制造的材料——当生长得厚时可以接近这些值。即使在这种形式下，它的性能也优于铜。
但我们决定尝试在大型硅片上生长钻石薄膜，希望朝着商业规模的钻石衬底迈进。通常，这是通过在高温（900°C或更高）下反应甲烷和氢气来完成的。这产生的不是单晶，而是狭窄柱子的森林。随着它们长高，纳米柱聚结成均匀薄膜，但当它们形成高质量多晶钻石时，薄膜已经非常厚。这种厚生长会给材料增加应力，通常导致开裂和其他问题。
但如果我们使用这种多晶涂层作为其他设备的散热器呢？如果我们可以让钻石在距离晶体管几纳米的范围内生长，让它垂直和横向地扩散热量，并将其与芯片中的硅、金属和电介质无缝集成，它可能就能完成这项工作。
有充分的理由认为它会起作用。钻石是电绝缘的，并且具有相对较低的介电常数。这意味着它是一个差的电容器，因此通过钻石包裹的互连发送的信号可能不会衰减太多。因此，钻石可以充当"热介电质"，即电绝缘但导热的材料。
降低生长温度
为了让我们的计划奏效，我们必须学会以不同的方式生长钻石。我们知道在芯片内部没有空间生长厚膜。我们还知道在生长过程的第一部分制造的狭窄、尖的晶体柱横向传热效果不好，所以我们需要从一开始就生长大晶粒晶体以使热量水平移动。第三个问题是现有的钻石薄膜没有在设备侧面形成涂层，这对固有的3D设备很重要。但最大的障碍是生长钻石薄膜所需的高温，这会损坏（如果不是破坏）IC的电路。我们必须将生长温度至少降低一半。
仅仅降低温度是行不通的。我们发现向混合物中添加氧气有帮助，因为它持续蚀刻掉不是钻石的碳沉积物。通过大量实验，我们能够找到一个配方，在400°C下在设备周围生产大晶粒多晶钻石涂层，这是CMOS电路和其他设备可以承受的温度。
热边界阻力
虽然我们找到了生长正确类型钻石涂层的方法，但我们面临另一个关键挑战——声子瓶颈，也称为热边界阻力。声子是热能包，就像光子是电磁能包一样。具体来说，它们是晶格振动的量子化版本。这些声子可能在材料边界处堆积，抵抗热流。减少热边界阻力一直是热界面工程的目标，通常通过在边界引入不同材料来实现。但半导体只与某些材料兼容，限制了我们的选择。
最终，我们很幸运。在生长覆盖氮化硅的氮化镓上的钻石时，我们观察到一些意外情况：测量的热边界阻力远低于先前报告引导我们预期的。通过进一步研究界面科学和工程，并与合作者合作，我们确定了较低热边界阻力的原因。钻石和氮化硅界面处的混合导致碳化硅的形成，它充当了声子的一种桥梁，允许更有效的热传递。虽然这始于科学发现，但其技术影响是立竿见影的——使用碳化硅界面，我们的设备表现出显著改善的热性能。
氮化镓HEMT：第一个测试案例
我们开始在氮化镓高电子迁移率晶体管中测试我们的新型低热边界阻力钻石涂层。这些设备通过控制通过其沟道内形成的二维电子气的电流来放大射频信号。我们利用了在加州大学圣巴巴拉分校进行的关于HEMT的开创性研究。
使这些HEMT成为如此好的测试案例的一个决定性特征是：控制通过设备的电流流动的栅极距离晶体管沟道仅数十纳米。这意味着热量在设备表面附近产生，我们的钻石涂层可能引起的任何干扰都会迅速显示在设备的操作中。
我们引入钻石层，使其完全包围HEMT，甚至在侧面。通过将生长温度保持在400°C以下，我们希望保留核心设备功能。虽然我们确实看到高频性能有所下降，但热效益是显著的——沟道温度显著降低了70°C。这一突破可能是射频系统的潜在变革性解决方案，使它们能够以比以往更高的功率运行。
CMOS中的钻石
我们想知道我们的钻石层是否也能在高功率CMOS芯片中工作。我们在斯坦福大学的同事长期倡导3D堆叠芯片架构。在CMOS计算芯片中，3D堆叠似乎是提高集成密度、改善性能和克服传统晶体管缩放限制的最可行方式。它已经用于一些先进的AI芯片中。并且在通过英伟达GPU和其他AI处理器泵送数据的高带宽内存芯片中已经确立。
这些3D堆叠中的多层硅主要通过微小的焊球连接，或者在一些先进情况下仅通过其铜端子连接。从这些堆叠中获取信号和功率需要垂直的铜链接，这些链接穿过硅到达芯片封装的衬底。
在我们的讨论中，同事指出3D堆叠芯片的一个关键问题是堆叠内形成的热瓶颈。在3D架构中，用于2D芯片的传统散热器和其他技术不够用。从每一层提取热量至关重要。
我们对氮化镓中热边界阻力的实验表明，类似的方法在硅中也会起作用。当我们将钻石与硅集成时，结果非常显著：形成了碳化硅的中间层，导致钻石具有优异的热界面。
我们的努力引入了热支架的概念。在该方案中，纳米厚的多晶钻石层将集成在晶体管上方的介电层内以扩散热量。这些层然后将通过垂直热导体（称为热柱，由铜或更多钻石制成）连接。这些柱将连接到另一个散热器，该散热器又将连接到3D堆叠中下一个芯片上的热柱，依此类推，直到热量到达散热器或其他冷却设备。
在与同事的合作中，我们使用真实计算工作负载产生的热量的模拟来操作概念验证结构。该结构包括模拟热点的虚拟加热器以及钻石散热器和铜热柱。使用这个，我们将温度降低到没有支架时的十分之一。
仍有障碍需要克服。特别是，我们仍然必须找到一种方法使我们的钻石涂层顶部原子级平坦。但是，与行业合作伙伴和研究人员合作，我们正在系统地研究这个问题和其他科学技术问题。我们和我们的合作伙伴认为，这项研究可能为热管理提供一条颠覆性的新路径，也是维持未来高性能计算的关键一步。
开发钻石热解决方案
我们现在打算朝着行业集成迈进。例如，我们正在与国防高级研究计划局的Threads项目合作，该项目旨在使用设备级热管理来开发高效可靠的X波段功率放大器，其功率密度是当今设备的6到8倍。该项目是与行业团队密切合作的关键平台，同时保护我们和合作伙伴的流程。
国防应用需要卓越的可靠性，我们的钻石集成HEMT正在与行业合作伙伴进行严格测试。早期结果很有希望，指导我们将在未来两年与合作伙伴一起进行的生长过程和集成技术的改进。
但我们的愿景超越了氮化镓HEMT，扩展到其他材料，特别是硅计算芯片。对于后者，我们与某中心建立了既定的合作，并且我们正在通过斯坦福SystemX联盟和半导体研究公司与某机构等扩展更新的机会。这是在其他激烈竞争对手之间非同寻常的合作水平。但话说回来，热量是芯片制造中的普遍挑战，每个人都有动力找到最佳解决方案。
如果成功，我们的研究可能重新定义跨行业的热管理。在我对氮化镓设备的工作中，我亲眼目睹了像这样的曾经激进的想法如何过渡成为行业标准，我相信基于钻石的热提取将遵循相同的轨迹，成为一代不再受热量阻碍的电子的关键推动者。
