科学家突破金刚石散热难题：核心温度降低 23℃，技术可规模化应用于 AI 芯片等领域

2 月 25 日消息，莱斯大学的科研团队开发出一种可规模化制造的金刚石散热层技术，可将电子器件工作温度降低 23 摄氏度，为高功率芯片散热提供新的工程路径。相关论文已于 2 月 23 日发表于 Applied Physics Letters。

金刚石因其极高热导率被视为散热材料中的“标杆”，但其硬度极高，加工难度大，限制了实际应用。

为此，研究团队提出了一种“自下而上”的金刚石生长方法，通过在芯片表面直接构建图案化金刚石层，实现热量精准导出。相比传统“自上而下”加工方式 —— 先制备整块金刚石再进行切割雕刻 —— 新方法可避免材料损伤与高成本问题。

该技术采用微波等离子体化学气相沉积工艺。研究人员首先利用光刻技术在芯片表面制作“模板”，随后在模板上铺设纳米金刚石“晶核”。

在高能反应器中，含碳气体在微波能量作用下转化为等离子体，碳原子沉积并附着在晶核上，逐层生长为导热金刚石层。研究人员指出，成核是金刚石生长的关键步骤，为碳原子形成晶体结构提供基础。

材料科学与纳米工程助理研究教授 Xiang Zhang 表示，在电子领域，热量是限制性能的核心因素。温度降低 23 摄氏度具有实际意义，不仅有助于延长器件寿命，还可在避免过热的情况下提升运行速度。

据介绍，在高分辨率复杂图案应用中采用光刻制种技术，在大面积应用场景中则使用激光切割薄膜方式，实现不同场景下的工艺适配。这种灵活性被认为为产业化提供了可行路径。

此外，该工艺可兼容硅和氮化镓等多种半导体基底材料，为不同技术路线集成高性能金刚石散热层提供基础。

研究团队称，新方法已成功扩展至 2 英寸晶圆制造规模，有望应用于 AI 芯片与 5G 硬件等高功率半导体器件。

项目负责人 Pulickel Ajayan 表示，团队已找到一种可规模化且有效的方式，将金刚石散热技术整合进电子器件中。这对于提升手机、电池及计算设备的效率和可靠性具有潜在意义。

研究团队下一阶段目标是优化金刚石层与底层电子器件之间的界面结合，以实现更紧密的结构整合。若该环节取得突破，将有助于构建更高速率、更高功率的下一代晶体管器件。

附论文地址：https://doi.org/10.1063/5.0319930