如今惊人的计算能力正使我们从人类智能迈向人工智能。随着机器能力的不断提升，它们不仅成为工具，更成为塑造我们未来的决策者。但是，强大的力量也会带来巨大的热量！
据了解，热量产生于晶体管及其互连线内部，因为电流流动会遇到电阻。这意味着大部分热量产生于半导体衬底表面附近。热量随后会向上扩散，穿过金属和绝缘层，或者直接穿过半导体本身，具体取决于封装结构。之后，热量会遇到导热界面材料，该材料旨在将热量分散开来，最终到达散热器、散热片或某种液体冷却系统，由空气或液体带走热量。
随着半导体和处理器的性能和密度不断提升，晶体管的排列也越来越紧密；单个 GPU 上就集成了 2080 亿个晶体管。所有这些紧凑化和小型化都面临着热力学限制，效率方面的创新会被热力学限制所抵消。同时，新型 3D 堆叠芯片像 “硅制摩天楼”，每层热量都难以排出，成为技术落地的最大障碍。其中，最大的问题在于芯片材料的导热性差，导致热量滞留在芯片内部并集中，从而使芯片内部温度飙升。
散热片可以让热量横向扩散，从而分散热量，使电路冷却。但它们的位置——当然是相对而言——距离发热点较远，因此对局部过热几乎没有帮助。我们需要一种散热技术，能够将散热片精确地放置在发热点附近纳米级的范围内。而低温金刚石或许能够在这方面发挥关键作用。
在足够低的温度下直接在半导体器件上生长金刚石，该生长方法能够在400°C的高温下，在器件周围制备出“大晶粒多晶金刚石”。与传统方法相比，仅仅降低温度是行不通的，该方法在混合物中添加了更高浓度的氧气，从而蚀刻掉了非金刚石碳沉积物，避免了产生会损害而非促进导电性的烟尘。400°C的温度在CMOS器件可承受的范围内，同时又足以形成金刚石而非更多的烟尘。大晶粒也是该方法的关键所在，因为与许多彼此相邻的短晶粒层相比，大晶粒能够确保更高的导电性，因为后者无法有效地散热。
通过对界面科学与工程的深入研究，金刚石和氮化硅界面处的互混导致了碳化硅的形成，碳化硅如同声子的桥梁，促进了更高效的热传递。采用碳化硅界面后，该团队的器件热性能显著提升。
低温生长技术：通过在反应气体中加入氧气，持续蚀刻非金刚石碳沉积物，成功在 400℃下合成出多晶金刚石涂层。这个温度对 CMOS 电路及各类芯片完全安全，不会损伤任何敏感结构。
解决热阻瓶颈：在金刚石与半导体的界面，会自然形成一层碳化硅。这层薄膜像 “热量桥梁”，破解了不同材料间的热阻问题，让热量顺畅流入金刚石。更关键的是，这种多晶金刚石涂层厚度仅几微米，能直接生长在芯片表面，甚至包裹住 3D 结构器件的侧面，真正实现 “零距离散热”。
在氮化镓射频晶体管中，金刚石涂层让器件温度骤降 70℃，X 波段射频信号放大能力提升 5 倍；
在 3D 堆叠芯片的模拟测试中，通过 “金刚石散热层 + 铜导热柱” 的散热支架设计，热点温度直接降到无支架时的 1/10；即便面对下一代将遭遇更严重发热问题的 CMOS 芯片，这项技术也能有效压制热点升温。
在该方案中，纳米级厚度的多晶金刚石层被集成到晶体管上方的介电层中，用于散热。这些金刚石层通过垂直的热导体（称为热柱）连接，热柱由铜或金刚石制成。这些热柱连接到另一个散热器，该散热器又连接到3D堆叠中下一个芯片上的热柱，以此类推，直到热量到达散热器或其他冷却装置。
化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂、氮掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。
