金刚石薄膜新突破：给芯片降温，还要从界面下手_资讯

金刚石薄膜新突破：给芯片降温，还要从界面下手

关键词金刚石薄膜|2025-08-14 09:19:52|来源 DT半导体

摘要随着电子器件不断微型化，芯片内部单位面积产生的热量急剧增加，散热问题成为影响器件性能与寿命的关键瓶颈。金刚石具有极高的本征热导率（高达2000W/(m·K)），是目前已知热导率最高...

随着电子器件不断微型化，芯片内部单位面积产生的热量急剧增加，散热问题成为影响器件性能与寿命的关键瓶颈。

金刚石具有极高的本征热导率（高达2000 W/(m·K)），是目前已知热导率最高的材料之一。

碳化硅（SiC）也具备出色的热导率，同时拥有宽禁带、高硬度等优异特性。

然而，天然金刚石成本高昂，且难以获得大面积、结构可控的单晶材料。

因此，通过化学气相沉积（CVD）技术在硅（Si）或碳化硅（SiC）基底上制备金刚石薄膜，成为解决电子器件散热问题的重要技术路径。但薄膜的实际导热性能不仅取决于本征材料性质，还受晶粒尺寸、非晶碳含量以及膜-衬底界面热导等因素影响。

最近，最新一期《Thin Solid Films》刊登了一项来自美国特拉华大学特拉华大学与苏州实验室的团队系统比较了三种结构：金刚石/硅、金刚石/碳化硅、以及3C-碳化硅/硅。他们测出，0.63微米厚的金刚石/硅膜导热率约为240 W/(m·K)，但界面热导只有18 MW/(m²·K)。透射电镜发现，金刚石和硅之间夹了一层约5纳米厚的非晶层，这相当于在导热路径上加了一段“减速带”，热量自然过不去。相比之下，3C-碳化硅直接在硅上外延生长，没有明显非晶层，界面热导提高到78 MW/(m²·K)。不过，这层碳化硅膜里存在大量堆垛层错，又把整体导热率从理论值500 W/(m·K)降到约300 W/(m·K)。相关成果以“Interfacial Microstructure and Thermal Properties of Diamond Thin Films Prepared on Si and SiC Substrates by Chemical Vapor Deposition”发表在期刊上。

实验还表明，金刚石薄膜里的晶粒大小和非晶碳含量同样影响导热：晶粒越大、非晶碳越少，导热越好。研究人员通过调整生长温度和气体比例，把晶粒尺寸从十几纳米提高到几十纳米，薄膜导热率随之上升。

综合来看，要想让金刚石薄膜真正帮芯片降温，需要同时优化两件事：一是减少金刚石与基底之间的非晶过渡层，二是控制薄膜内部的晶粒质量和缺陷密度。下一步，团队计划在硅表面先长一层碳化硅，再沉积金刚石，利用碳化硅较高的界面热导为金刚石“铺路”，希望把整体散热效率再提高一步。

从制备到表征

研究团队采用热丝 CVD 法，在 Si 和 SiC 衬底上制备了不同厚度（0.63-8.7 μm）的多晶金刚石薄膜，并以 Si 衬底上外延生长的 2.2 μm 厚 3C-SiC 薄膜作为对比。制备过程中，通过调控压力（800-3333 Pa）、温度（800-900℃）等参数，获得了不同微观结构的样品。

为全面评估材料性能，研究结合了多种表征技术：

扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察薄膜表面与截面形貌，揭示晶粒生长规律；X 射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析物相组成与晶体结构，确定晶粒尺寸和非晶相含量；时域热反射法（TDTR）精准测量薄膜热导率（k）和界面热导（G），这是评估材料散热能力的核心指标。

图1. 0.63 μm金刚石薄膜/硅的表征。（a）金刚石薄膜表面的低倍扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）金刚石薄膜在硅上的截面SEM图像。（c）金刚石薄膜的X射线衍射（XRD）图谱。插图显示了强烈的硅峰。 (d) 厚度约为0.63 μm的金刚石薄膜横截面区域的低倍透射电子显微镜（TEM）图像。插图显示了选区电子衍射图案。 (e) 和 (f) 界面区域的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，其中包含一个厚度为5 nm的非晶过渡区域。