芯片|2021年度国外军工材料技术重大发展动向( 四 )

美国开发高热传导率之半导体材料可抑制芯片发热
随着芯片中晶体管数量增加，计算机运算效能不断提升，但高密化也因此产生许多发热点，若无适当的热管理技术，除了造成处理器的动作速度减缓、可靠性降低之外，亦有为了防止过热而需要额外的能源，造成能源效率不佳的问题。为解决此问题，美国加州大学洛杉矶分校在2018年开发了具有极高热传导率的新半导体材料，由无缺陷的砷化硼、磷化硼所组成，与钻石、碳化硅等既有散热材料相比，具有3倍以上的热传导率。2021年6月，美国加州大学洛杉矶分校利用新半导体材料结合于高功率计算机芯片，成功地抑制芯片的发热，进而提高计算机性能。研究团队将砷化硼半导体插入于芯片与散热片之间，作为提高散热效果的散热片与芯片结合，以实际装置展开热管理性能的研究。将砷化硼基板结合于宽能隙氮化镓半导体后，确认氮化镓/砷化硼界面的热传导率高达250MW/m2K，界面热阻达到极小的水平。进一步将砷化硼基板结合于由铝氮化镓/氮化镓构成之先进高电子迁移率晶体管芯片，经确认，散热效果显著优于钻石或碳化硅。研究团队以最大容量让芯片作动，并对发热点进行从常温上升至最高温度的测量。实验结果显示，金刚石散热片的温度为137℃，碳化硅散热片是167℃，而使用砷化硼散热片仅有87℃。此界面的优异热传导性来自于砷化硼独特的声子带构造及界面的整合性。砷化硼材料不仅具有高热传导率，界面热阻也较小，应用作为散热片，将可藉此实现更高的装置作动功率，今后可望应用于长距离、大容量无线通信等高频功率电子领域或是电子封装等用途。
铋材料攻克二维沟道材料晶体管实用化关键难题
随着晶体管的持续微细化，其传导电流的通道越来越窄，需要不断采用高电子迁移率材料。二硫化钼等二维材料是理想的高电子迁移率材料，但将其与金属导线互联时在接触界面会形成肖特基势垒，这种现象会抑制电荷流动。2021年5月，由美国麻省理工学院牵头，台积电公司等参与的联合研究团队，证实使用半金属铋并结合两种材料之间的适当排列，可降低导线与器件的接触电阻从而消除该问题，有助实现半导体1纳米以下的艰巨挑战。MIT团队发现在二维材料上搭配半金属铋的电极，能大幅降低电阻并提高传输电流。台积电技术研究部门随后将铋沉积制程进行优化，最后台湾大学团队运用“氦离子束微影系统”将元件通道成功缩小至纳米尺寸。在使用铋为接触电极的关键结构后，二维材料电晶体的效能，不仅与硅基半导体相当，且与目前主流的硅基制程技术相容，有助于未来突破摩尔定律极限。该技术突破将解决二维半导体进入产业界的主要问题，是集成电路能在后摩尔时代继续前进的重要里程碑。
【芯片|2021年度国外军工材料技术重大发展动向】此外，利用计算材料学，开发新的算法，加速更多新材料的发现也是当前材料领域发展的热点。如2021年1月，美国能源部所属的艾姆斯实验室，在《自然计算科学》杂志上发表了一篇关于“布谷鸟搜索”算法的文章，这种新算法可以将搜索高熵合金的时间从数周缩短几秒钟。美国桑迪亚国家实验室开发出的机器学习算法，速度比普通方法快了4万倍，使材料技术设计周期缩短近一年。2021年4月，英国利物浦大学研究人员研发了一款机器人，可在8天内自主设计化学反应路线，完成688个实验，并找到一种高效催化剂来提高聚合物光催化性能，这项实验若由人工完成需花费数月时间。日本大阪大学、利用1200种光伏电池材料作为训练数据库，通过机器学习算法研究高分子材料结构和光电感应之间的关系，成功在1分钟内筛选出有潜在应用价值的化合物结构，传统方法则需 5～6年时间。（胡燕萍陈济桁黄培生）