作者：周松 | 中國科學院大學 培養單位：中國科學院物理研究所 審核：馮寶杰 副研究員 | 中國科學院物理研究所

你是否有過這樣的經歷：夏天捧著手機追劇，半小時后被手機燙到手？打游戲正到關鍵時刻，手機突然卡成PPT？別急，科學家們找到了一位“救世主”——金剛石！沒錯，就是珠寶店里亮閃閃的鉆石！但它這次不是象征著愛情，而是來保護你的手機、電腦甚至未來的宇宙飛船。

金剛石可能為芯片散熱帶來突破性變革

熱管理危機：為什么需要金剛石？

隨著半導體工藝的日益先進，芯片的功耗密度正經歷數量級式攀升。當前主流高性能芯片的局部熱流密度已逼近傳統散熱材料的承載極限。行業內研究顯示，面向人工智能、高能效計算等場景的下一代芯片，局部熱點熱流密度或將突破現有散熱體系的理論閾值，在此趨勢下，傳統金屬基散熱材料（如銅、鋁）的熱導率不再具有優勢，難以滿足未來高集成度電子器件對熱管理的嚴苛需求。而金剛石的熱導率是目前已知最高的材料之一，超過2000 W·m-1·K-1，是硅（Si）的13倍，碳化硅（SiC）的4倍和砷化鎵（GaAs）的43 倍。在熱導率要求為 1000~2000 W·m-1·K-1之間時，金剛石是極少數能夠滿足要求的材料，而且金剛石在帶隙，擊穿場強，載流子遷移率等方面與常用半導體材料相比具有非常顯著的優勢，堪稱六邊形戰士，被譽為終極半導體。

不同半導體材料的物理性質對比表，數據引用自文獻[1]

技術突破：從散熱片到芯片集成

1.金剛石薄膜制備

·超薄超柔性金剛石薄膜：香港大學＋南方科技大學＋北京大學聯合團隊采用微波等離子體化學氣相沉積方法，在硅襯底上生長2英寸金剛石薄膜，通過邊緣切割和膠帶剝離可以得到亞微米厚度，表面亞納米級平整，熱導率能達到1300 W·m-1·K-1的超柔性金剛石薄膜，有望直接貼合芯片表面[2]。

·金剛石熱沉積片：2024年5月，河南黃河旋風公司宣布成功研發出CVD多晶金剛石熱沉片。該產品的直徑為2英寸，厚度范圍在0.3至1毫米之間，熱導率超過2000W·m-1·K-1，達到了金剛石的理論熱導率值[3]。

柔性金剛石薄膜的制作過程，摘自文獻[2]。

2.三維異構集成技術

·芯片內嵌散熱層：廈門大學研究團隊成功將多晶金剛石襯底集成到2.5D玻璃轉接板封裝芯片的背面，并采用熱測試芯片研究其散熱特性。利用金剛石的超高熱導率，在芯片熱點功率密度為2 W/mm2時，集成金剛石散熱襯底使得芯片最高結溫降低高達24.1 ℃，芯片封裝熱阻降低28.5 %。這表明基于金剛石襯底的先進封裝集成芯片散熱具有重大的應用前景[4]。

·微流道散熱模組：美國Raytheon公司研究了不同矩形的微流道散熱結構對散熱能力及其結構可靠性的影響，結果表明在微流道尺寸為25 μm，距離熱源區距離為20 μm的結構設計時，單相流的散熱能力和可靠性能力達到最優，GaN MMIC器件的結溫由 SiC 襯底的676 ℃降低到金剛石片內微流結構襯底的182 ℃[5]。

產業化應用：從實驗室到商業落地

華為公司在2023年公布了一項名為“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法的專利”，著手布局金剛石為硅基芯片散熱的前沿技術領域。

英偉達公司則是率先采用鉆石散熱GPU進行測試實驗，據美國培育鉆石企業Diamond Foundry官網顯示，英偉達鉆石散熱GPU，可使AI及云計算性能提升三倍。

在電動汽車領域，弗勞恩霍夫美國研究中心在2024年取得突破性進展：科研團隊成功利用人造金剛石制備出晶圓級納米薄膜（厚度不足發絲直徑的1/100），并將其集成至電子元件中。實驗數據顯示，該技術可將局部熱負荷降低至原有水平的1/10，從而顯著提升電動汽車的道路性能與使用壽命，同時縮短電池充電時間。

金剛石材料可實現電動汽車的超快速充電

挑戰與未來：成本、工藝與未來趨勢

盡管前景廣闊，金剛石半導體仍面臨較多困境：

首先最重要的就是成本的問題，CVD法制備大尺寸單晶金剛石成本高昂，一片拇指大小的半導體級人造金剛石價格超萬元。

其次，現有硅基半導體制造設備與金剛石加工在工藝上并不兼容，需改造適配金剛石加工，光刻膠與蝕刻方法等需重新開發，產業鏈協同待突破。

另一個問題是，p型金剛石的發展較為成熟，主流的摻雜元素是硼，但在高摻雜時存在空穴遷移率迅速下降的問題；n型金剛石目前主流的摻雜元素是磷，還存在雜質能級深、電離能較大的問題，以及摻雜之后金剛石晶體中的缺陷造成載流子濃度和遷移率都比較低，電阻率難以達到器件的要求。

值得驕傲的是，中國在這項技術中競爭力極強，并有望領跑世界。中國人造金剛石單晶產量占全球95%，未來通過技術輸出（如CVD設備出口）和海外設廠，進一步鞏固市場話語權，有望率先實現金剛石半導體規模化應用。

結語：屬于硬核玩家的未來

金剛石可用于太空探測器

當金剛石從珠寶柜走進芯片工廠，一場靜默的材料革命悄然開啟。從華為的金剛石散熱專利到香港大學實驗室的柔性金剛石薄膜，人類正用智慧將這種“終極材料”的潛能轉化為現實生產力。或許不久后，我們的手機將用上“鉆石芯”，量子計算機在金剛石中存儲信息，而太空探測器依靠它征服金星地獄般的環境——這不僅是半導體材料的進化，更是人類突破物理邊界的又一次壯舉。或許未來，我們會看到這樣的名場面：

手機廠商發布會：“這是我們公司最新一款的全鉆手機，鉆石恒久遠，一部永流傳，我們對消費者的承諾就顯示在鉆石表面，永遠不變！”

參考文獻：

[1] Wort, C.J.H. and R.S. Balmer, Diamond as an electronic material. Materials Today[J], 2008. 11(1): p. 22-28.

[2] Jing, J., et al., Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane[J]. Nature, 2024. 636(8043): p. 627-634.

[3] http://www.21xc.com/content/202411/18/c525471.html

[4] Zhong, Y., et al., Heterogeneous Integration of Diamond-on-Chip-on-Glass Interposer for Efficient Thermal Management[J]. IEEE Electron Device Letters, 2024. 45(3): p. 448-451.

[5] Altman, D.H., A. Gupta, and M. Tyhach. Development of a Diamond Microfluidics-Based Intra-Chip Cooling Technology for GaN. in ASME 2015 International Technical Conference and Exhibition on Packaging and Integration of Electronic and Photonic Microsystems collocated with the ASME 2015 13th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. 2015.

[6] 王晨曦, 牛帆帆, 魏瀟赟, 王敏才, 鄧抄軍. 一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法[P]. 黑龍江省: CN116960057A, 2023-10-27.

[7] https://www.df.com/ai-cloud-compute

[8] 牛科研, 張璇, 崔博垚, 馬永健, 唐文博, 魏志鵬, 張寶順. 單晶金剛石p型和n型摻雜的研究[J]. 人工晶體學報, 2022, 51 (05): 841-851.

編輯：月

本文轉載自《中科院物理所》微信公眾號

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