斯坦福大学研究团队开发出一种利用金刚石解决射频晶体管热瓶颈的创新方案。通过在晶体管表面直接生长集成式金刚石包覆层，研究人员在实际测试中将芯片温度降低了高达70摄氏度，模拟测试中更实现90%的降温效果。
据本周发表于《IEEE频谱》的论文，这种金刚石散热技术在应对电子设备热瓶颈方面展现出巨大潜力。随着半导体和处理器性能与集成度不断提升——例如英伟达的Blackwell GPU架构已能在单颗芯片集成2080亿个晶体管——晶体管密度增加导致的热约束正逐渐抵消能效进步的成果。
由斯兰蒂·乔杜里（Srabanti Chowdhury）教授领导的斯坦福团队自2022年起便持续研究金刚石层在晶体管制造中的应用。虽然金刚石与氮化镓晶体管的结合并非全新概念（日本在2022年发表过相关研究，美国国防高级研究计划局也在2024年委托雷神公司开展研究），但乔杜里团队本次突破在于实现了在足以保持元件完好的低温环境下，直接在半导体器件上生长金刚石。此前微米级金刚石片需在1000摄氏度以上高温才能制备。
该团队研发的金刚石生长技术可在400摄氏度条件下“围绕器件生成大晶粒多晶金刚石层”。通过注入比传统方法更高浓度的氧气，非金刚石碳沉积物被有效蚀除，避免了损害导电性的碳灰产生。这一温度既符合CMOS器件的耐热极限，又能确保金刚石而非碳灰的生成。大尺寸晶粒结构相比细碎晶粒层具有更优异的导热性能，成为该技术的核心优势。
金刚石因其超高导热性（单晶金刚石导热系数是铜的六倍）多年来被视为未来芯片材料，但直接制造金刚石晶体管因材料形态限制难以实现。如今研究人员通过在氮化镓晶体管表面直接生长金刚石，并形成碳化硅中间层，实现了晶体管级别的革命性散热效果。传统半导体顶置散热器无法深入芯片内部消除热点，而包裹三维晶体管的全方位金刚石层则能完美解决这一难题。
斯坦福大学团队正积极推进该金刚石导热层的产业化应用。除参与美国国防部的氮化镓晶体管金刚石项目（预计2027年出成果）外，还将借助与台积电、美光和三星的产业合作关系加速技术商业化进程。
在超越硅基计算的时代来临前，芯片制造必须实现此类重大技术突破才能应对1纳米及更小制程的导热挑战。为半导体“镀金刚石”究竟会成为硅时代末期的过渡方案，还是为未来基材铺平道路，时间将给出答案。
