韩国研究团队攻克超小型半导体发热难题

Published 18 May.2023 10:44(KST)

KAIST利用金属薄膜表面波开发新型散热技术
比现有方式热传导效率提升25%
有望解决半导体器件小型化带来的发热问题

国内研究团队开发出一项可解决半导体高集成度带来的发热现象的新技术。

韩国科学技术院（KAIST）表示，机械工程系教授 Lee Bongjae 研究团队成功实现了全球首次在沉积于基板上的金属薄膜中，测量由“表面等离激元极化子”所引发的新型热传导模式。所谓表面等离激元极化子，是指介电体与金属界面处的电磁场与金属表面自由电子集体振荡形成的类粒子之间强相互作用的结果，表现为在金属表面形成的表面波（surface wave）。

近年来，随着半导体器件的小型化，由过热点（hot spot）产生的热量难以及时有效扩散，导致器件的可靠性和耐久性下降。仅依靠传统的热管理技术，已难以应对日益严重的发热问题。随着器件进一步集成化，有必要摆脱传统热管理技术的框架，转而基于对极限尺度下热传导现象的根本性理解来开展研究。

研究团队通过发现沉积在基板上的金属薄膜中由表面波引起的新型热传导方式，提出了相应解决方案。为改善纳米尺度厚度金属薄膜中的热扩散，他们利用出现在金属与介电体界面处的表面波——表面等离激元极化子。这一新的热传导模式只要在基板上沉积金属薄膜便会产生，因此在器件制造工艺中具有较高的可用性，并且可在大面积上制备是其一大优势。研究团队证明，在半径约3厘米、厚度为100纳米的钛薄膜中，由表面波引发的热导率提升了约25%。

Lee 教授表示：“本次研究的意义在于，我们首次在制程难度较低的基板上沉积的金属薄膜中，阐明了由表面波引起的新型热传导模式”，并称“该成果有望作为一种纳米尺度的热扩散器（heat spreader），在超高发热半导体器件内部过热点的近邻区域，实现高效散热”。

研究团队的成果表明，该技术可用于在纳米尺度厚度薄膜中沿平面方向快速扩散热量，对今后高性能半导体器件的开发具有重要启示。尤其是在纳米尺度厚度下，由于边界散射会导致薄膜热导率下降，而研究团队所阐明的这一新型热传导模式反而能够在纳米尺度厚度下实现高效热传导，有望从根本上解决半导体器件单元级热管理问题。