探索宇宙奧秘 · 理性思考

2026年2月23日，美國(guó)萊斯大學(xué)的研究人員在《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，他們不僅成功在芯片上長(zhǎng)出了圖案精致的“鉆石貓頭鷹”，更重要的是，找到了一種可規(guī)模化的方法，將金剛石這種“導(dǎo)熱之王”精準(zhǔn)地集成到電子器件上，有望為 overheating 的現(xiàn)代電子設(shè)備帶來高達(dá)23攝氏度的降溫。

這聽起來像是一個(gè)用藝術(shù)品解決工程難題的奇妙故事，但其背后，是一場(chǎng)關(guān)乎人工智能、5G通信乃至整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)未來的“熱量戰(zhàn)爭(zhēng)”。

金剛石是自然界熱導(dǎo)率最高的材料，能達(dá)到銅的五到六倍。理論上，它是給芯片散熱的完美搭檔。但問題在于，金剛石太硬了，化學(xué)性質(zhì)又極其穩(wěn)定，很難用傳統(tǒng)方法把它加工成想要的形狀貼在芯片上。

萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)反其道而行之，采用了一種“自下而上”的策略。他們的核心技術(shù)是微波等離子體化學(xué)氣相沉積。簡(jiǎn)單來說，就是用一個(gè)比家用微波爐強(qiáng)大得多的反應(yīng)器，將富含碳的氣體（如甲烷）和氫氣混合，通過微波能量將其電離成等離子體。這些等離子體將氣體分子打散，碳原子就像“下雨”一樣，一層一層地落在準(zhǔn)備好的襯底上，自行組裝成金剛石晶體。

整個(gè)過程的關(guān)鍵在于“播種”。研究人員先在硅或氮化鎵襯底上，利用光刻技術(shù)或激光切割的掩膜，制作出精細(xì)的“模具”，然后在上面涂覆含有納米金剛石顆粒的液體。這些納米顆粒就是金剛石生長(zhǎng)的“種子”。最終，碳原子只會(huì)在這片“種子田”里生根發(fā)芽，精準(zhǔn)地長(zhǎng)出預(yù)定圖案的金剛石，比如那只象征萊斯大學(xué)的貓頭鷹。

這項(xiàng)研究的核心突破并非降溫幅度本身，而在于其方法的“可規(guī)?；迸c“精確性”。它不僅能在一個(gè)兩英寸的晶圓上同時(shí)生長(zhǎng)，還能通過調(diào)節(jié)“種子”的密度，在同一圖案內(nèi)控制金剛石晶體的大小和結(jié)構(gòu)。這意味著，這項(xiàng)技術(shù)有潛力直接集成到現(xiàn)有的芯片制造流程中，而不需要翻天覆地的設(shè)備改造。

“芯片發(fā)熱是敵人”，這句話在半導(dǎo)體行業(yè)流傳已久。隨著晶體管尺寸逼近物理極限，芯片功率密度激增，熱量成了制約性能提升的頭號(hào)瓶頸。局部熱點(diǎn)溫度可能比芯片其他區(qū)域高出幾十度，導(dǎo)致性能下降、壽命縮短。

而就在萊斯大學(xué)這項(xiàng)研究發(fā)表前不久，美國(guó)物理研究所的Scilights也報(bào)道了另一種思路：直接在已經(jīng)制造完成的氮化鎵高電子遷移率晶體管頂部，集成一層金剛石散熱層。結(jié)果顯示，在24瓦/毫米的功率耗散下，器件平均溫度下降了驚人的111攝氏度。

這些研究共同描繪了一個(gè)清晰的圖景：金剛石散熱技術(shù)正在從概念走向?qū)嵺`，從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線。而萊斯大學(xué)的貢獻(xiàn)在于，提供了一種更為靈活、精準(zhǔn)的“選區(qū)生長(zhǎng)”模式，讓金剛石不僅能“貼上去”，還能“長(zhǎng)成你想要的樣子”，這對(duì)于未來復(fù)雜的三維集成芯片來說至關(guān)重要。

對(duì)于中國(guó)的讀者而言，更關(guān)心的是我們?cè)谶@一領(lǐng)域處于什么位置。事實(shí)上，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在金剛石散熱這條賽道上，同樣展現(xiàn)出了強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)力和獨(dú)特的技術(shù)路線。

在襯底材料方面，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的江南團(tuán)隊(duì)在2025年取得了一系列突破。他們成功制備出4英寸的超低翹曲金剛石自支撐薄膜，翹曲度控制在10微米以內(nèi)，比常規(guī)工藝降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種超平坦特性甚至讓薄膜產(chǎn)生了“自吸附”現(xiàn)象，無需外力就能貼附在玻璃基板上。更重要的是，他們隨后發(fā)展出的“自剝離”技術(shù)，將金剛石薄膜與硅基板的分離時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短到幾分鐘，為工業(yè)化批量生產(chǎn)鋪平了道路。

在器件集成方面，中國(guó)科學(xué)院微電子所劉新宇團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，創(chuàng)新地采用4H-SiC/Diamond復(fù)合襯底。他們通過表面活化鍵合技術(shù)，在金剛石襯底上轉(zhuǎn)移了一層僅784納米厚的碳化硅薄膜，作為生長(zhǎng)氮化鎵的緩沖層。這種方法巧妙地解決了金剛石與氮化鎵之間嚴(yán)重的晶格失配和熱應(yīng)力問題。最終，在相同功耗下，器件的結(jié)溫降低了40.5攝氏度，熱阻下降了61.4%。

在解決界面難題上，西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊(duì)給出了一個(gè)精巧的答案。為了給散熱性能極差的氧化鎵材料降溫，他們引入石墨烯作為“翻譯官”，解決了在多晶金剛石上生長(zhǎng)高質(zhì)量氧化鎵薄膜的難題。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的界面熱阻僅為傳統(tǒng)技術(shù)的十分之一左右，光電探測(cè)器的性能也因此翻倍。

而在極端散熱能力上，北京大學(xué)王瑋-張馳團(tuán)隊(duì)展示了“終極解決方案”的雛形。他們研制出全金剛石基的嵌入式歧管微通道散熱器，在1平方毫米的熱點(diǎn)上，成功實(shí)現(xiàn)了高達(dá)10000瓦/平方厘米的超高熱流密度散熱。這是一個(gè)什么概念？它遠(yuǎn)超目前任何單一芯片的發(fā)熱水平，為未來的雷達(dá)、高能激光器等極端功率器件提供了可能性。

縱觀全球，從美國(guó)斯坦福、萊斯大學(xué)到中國(guó)的各大頂尖科研機(jī)構(gòu)，一場(chǎng)圍繞金剛石散熱的科技競(jìng)賽正在激烈上演。這不僅僅是為手機(jī)或電腦降溫，更是在為摩爾定律的延續(xù)、為人工智能算力的爆發(fā)、為下一代通信和能源技術(shù)掃清障礙。

萊斯大學(xué)的“鉆石貓頭鷹”像一個(gè)標(biāo)志，它告訴我們，解決最棘手的工程難題的鑰匙，有時(shí)就藏在對(duì)材料生長(zhǎng)機(jī)制的極致理解和精巧控制之中。而在通往未來高性能電子設(shè)備的道路上，金剛石，這塊自然界最堅(jiān)硬的碳，正被全球的科學(xué)家們鍛造成最炙手可熱的“冷”武器。