破解芯片散熱難題！中國地質大學聯合港城大實現金剛石基板高效異質集成

未來產鏈 2026-07-12 10:09

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當前，依托AI算力迭代升級、高功率射頻器件革新及先進封裝技術的持續突破，半導體芯片的功率密度實現大幅提升。在此發展趨勢下，芯片散熱問題日益凸顯，已成為限制電子器件工作性能、服役穩定性及長期可靠性的核心技術瓶頸。金剛石具備超高熱導率、優異的熱穩定性等核心優勢，是下一代高端芯片高性能散熱基板的核心候選材料。在此背景下，實現芯片與金剛石基板間的低界面熱阻集成封裝，已然成為半導體熱管理領域極具研究價值的核心攻關方向。

近日，中國地質大學（武漢）孫慶磊副教授團隊聯合香港城市大學，在Ta-Au-Ta中間層輔助的氮化鎵（GaN）與金剛石異質鍵合行為研究方面取得新進展。相關成果以“Influence of temperature on the bonding behavior of GaN on diamond with Ta-Au interlayer: Insights from molecular dynamics simulations”為題發表于國際知名期刊《Diamond & Related Materials》。

圖1 模型界面形態的時域演變及原子位移

GaN作為第三代半導體材料，在開發高功率器件方面具有顯著優勢。但隨著器件的小型化和功率密度的提升，“熱”瓶頸問題日益凸顯，嚴重制約了器件性能的進一步提升。金剛石憑借其極高的導熱率，被視為高功率GaN器件熱管理的理想基底替代材料。

然而，GaN與金剛石的直接集成面臨著巨大的晶格失配和熱膨脹系數差異等嚴峻挑戰。為了解決這一難題，引入金屬中間層成為改善鍵合質量的有效途徑，但目前針對異質界面在原子尺度下的擴散輔助鍵合機制仍缺乏深入的理論研究。

本研究巧妙采用了Ta-Au-Ta三層金屬復合結構，旨在突破傳統非晶硅等半導體中間層導熱率低、易形成界面熱瓶頸的局限性。在該體系中，各層金屬發揮了強烈的協同支撐作用：中間的核心鍵合層選用Au薄膜，由于金原子具有極高的自擴散系數，且表面不易形成氧化層，能夠顯著降低鍵合能壘并提供優異的互聯性能。在界面兩側引入Ta作為過渡層，不僅可以利用其優異的化學親和力顯著增強金屬與金剛石及GaN基底之間的附著強度，還能通過改善界面原子接觸，極大地降低金剛石/金屬界面處的界面熱阻。此外，Ta層還兼具微觀阻擋層的功能，能夠優化整體的原子擴散行為，從而在保障異質結超高鍵合強度與高溫力學穩定性的同時，實現了界面熱傳導效能的極致優化。

針對上述技術痛點，本研究構建了GaN/Ta-Au-Ta/金剛石的結構模型，并采用分子動力學（MD）模擬方法，在不同的熱力學條件下對異質界面的鍵合行為進行了分析。研究重點探討了溫度和壓力變化對界面形貌演變、原子位移軌跡以及短程有序結構轉化的影響。

本研究引入MD模擬技術，構建了一種適配寬禁帶半導體異質集成表征的全新原子級動力學分析體系。在GaN與金剛石異質結構的模型構建中，研究團隊充分利用Ta-Au-Ta三層復合金屬直接作為緩沖過渡層。這種以金屬間化合物替代傳統非晶半導體層的創新設計，不僅從物理層面緩解了極大的晶格失配與熱膨脹系數差異，更徹底規避了非晶中間層極低熱導率對整體器件散熱的阻礙，從結構源頭保障了超高熱通量的傳輸潛能。在分析邏輯上，本研究采用“多場耦合、動態弛豫、定量追蹤”的研究思路。前期通過Lennard-Jones勢函數精準構建各單晶材料的基礎模型并進行等溫等壓預平衡，隨后引入不同溫度場與不同壓力應力場，并結合正則系綜開展長深度弛豫解析。通過將可視化模型、均方位移、擴散系數以及徑向分布函數作為核心微觀觀測量進行海量數據的迭代計算，最終實現了多層金屬界面原子擴散機制及其隨溫壓協同變化規律的高精度解算。

模擬結果表明，該研究框架有效突破了傳統宏觀表征技術無法透視深埋界面原子級動態演化過程的瓶頸，精準量化了Ta原子與Au原子在界面重排與致密化過程中的擴散能力差異。該微觀動力學表征體系具備極強的通用性與理論拓展性，可廣泛推廣至各類高導熱異質集成材料的底層鍵合機理研究中。尤其在解決高功率GaN器件面臨的“熱”瓶頸與界面微觀應力演化問題上，該理論模型能夠提供關鍵的熱力學與動力學反饋。

此外，結合晶圓級表面活化鍵合等先進制程，針對諸如組分梯度徑向變化等復雜中間層結構的設計與研發，該體系同樣能夠依托精準的原子軌跡追蹤與相互作用提取，實現對多物理場內部界面結構演變與熱機械匹配性的高效指導。隨著低成本金剛石生長技術的突破及其在5G通信、航空航天等高功率電子領域的規模化普及，本成果將為下一代高性能異質集成體系的鍵合參數優化、熱管理迭代與服役可靠性增強提供堅實的底層數據與理論支撐。

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