来源 | Advanced Electronic Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/aelm.202500175

01

芯片太热了，问题可能出在“夹心层”

在我们用的手机、车载系统、智能家电中，很多核心芯片其实并不是“传统”意义上的硅芯片，而是一种叫做“绝缘体上硅”（Silicon-on-Insulator，SOI）的结构。它就像是把一块硅片夹在“夹心饼干”中间：上层是芯片工作区域，下层是支撑基底，而中间那层“夹心”——叫作埋层氧化硅（BOX）——负责电气绝缘。

与传统硅基工艺不同，SOI晶圆由三层结构组成：顶部为单晶硅层（用于制造晶体管），中间为二氧化硅绝缘层（埋氧层），底部为硅衬底。这种结构通过物理或化学方法将硅层与衬底隔离，形成独立的电学环境。SOI技术的核心在于利用绝缘层阻断电流泄露路径，从而显著降低器件功耗，同时提升抗干扰能力。该技术自20世纪80年代进入工业化阶段以来，已成为先进制程的重要分支。这种设计有很多好处，比如更省电、不容易串电、也能做得更小、更快。

但它也有一个大麻烦，热出不去。

这个“夹心层”虽然电性很好，但导热性能却非常差，仅仅只有空气的两倍左右（约1.4 W/m·K），远远低于硅本身。这意味着：芯片越用越热，热量却像堵在了瓶子里，出不来，温度飙升，性能下降，寿命缩短，甚至可能损坏。特别是今天的芯片早已进入“高热密度”时代，小小一块芯片上可能集成了几十亿个晶体管。温度，已成为决定芯片性能和稳定性的“看不见的杀手”。

有没有一种材料，既能像氧化硅一样电绝缘，又能像金属一样导热？

氮化铝是一种新兴的高热导绝缘材料，在某些情况下热导率甚至可以达到300 W/mK，是氧化硅的200多倍。而且它在高频、功率器件中也表现出极佳的稳定性。

不过，把氮化铝嵌进SOI结构中，并非易事——如何在硅上长出高质量的AlN薄膜？如何控制它的晶体取向和缺陷？如何避免界面热阻的“失分”？这正是Aalto大学这项研究要解决的问题。

02

AlN薄膜，让SOI平台热流“破局”

Aalto大学Josef Stevanus Matondang教授团队提出在SOI结构中引入高热导率的氮化铝（AlN）薄膜作为替代BOX的掩埋绝缘层，可望显著改善热散能力。研究通过三种不同工艺（ALD、反应溅射、MOVPE）在Si (111)衬底上沉积AlN薄膜，全面评估了它们的晶体结构、表面形貌、热导率和界面热边界电导（TBC）等参数。主要成果如下：

MOVPE AlN 薄膜热导率高达 230 W/mK，显著优于传统BOX；

TBC 最高达 240 MW/m²·K（溅射AlN/Si界面），表明界面热阻也能控制在较低水平；

通过修正的Williamson-Hall分析，首次建立了晶粒尺寸与热导率之间的强相关性；

MOVPE工艺优化后，AlN膜的表面粗糙度低至4Å，满足直接键合的工业要求。

研究指出，尽管AlN与Si界面仍存在数纳米厚的氮化硅非晶层，略微降低了TBC，但整体热阻已远优于传统SOI结构。该成果为构建“热友好型”SOI平台提供了新解法，有望在射频和功率器件等高功率应用中大显身手。研究成果以“Thermally Conductive Buried Aluminum Nitridefor Next Generation Silicon-on-Insulator”为题发表在《Advanced Electronic Materials》期刊。

03

图文导读

图1. 氮化铝绝缘体上硅 (AlN-SOI) 平台及其在薄膜沉积、晶圆键合和散热在应用方面的关键挑战。等效热电路表示从示例器件结温 (Tj) 到环境温度 (T0) 的跨平面一维热传导。

展示了AlN取代BOX的SOI架构横截面，并用“热等效电路”图形化表示从芯片结温Tj到环境温度T₀的垂直热流通道。AlN层和界面TBC被分别建模为串联热阻。

明确指出AlN替代SiO₂后的散热路径结构及瓶颈位置，提出了AlN膜与界面（核化面、键合面）TBC的两重关键热阻来源。

图2. 不同工艺制备的AlN薄膜表面形貌比较。

三种工艺（ALD、溅射、MOVPE）制备的AlN薄膜，在5×5μm扫描范围下的表面粗糙度图与参数（Sq）对比。MOVPE制得的样品虽然热性能好，但存在针孔/坑洞问题，优化后（MOVPE-1）粗糙度降至4Å，接近商业键合要求。

表面越平整，热界面越容易“贴合”，热阻越低；MOVPE-1达到4Å级粗糙度，是实现AlN-SOI直接键合的工艺门槛；

说明在提升导热性能的同时，不能牺牲机械/表面完整性。

图3.AlN薄膜的X射线衍射（XRD）分析

图4. 氮化铝的热特性表征

使用TDTR技术测得不同薄膜热导率和AlN/Si界面TBC：

ALD薄膜：9.7 W/m·K

溅射RMS-1：26.5 W/m·K

MOVPE系列：190–230 W/m·K；TBC从87~147 MW/m²·K不等。

MOVPE-AlN热导率首次大幅突破200 W/mK，部分样品甚至超过文献中最优值；然而TBC受“非晶界面层”影响较大，最优样品MOVPE-1 TBC为147 MW/m²·K，比溅射样品略低；说明在片内导热（热导率）提升的同时，界面工程（TBC）仍是制约散热效能释放的“临界点”。

图5. MOVPE-0与MOVPE-2样品的薄膜热导率与晶粒尺寸分析

图6. AlN薄膜的晶体质量与晶粒尺寸对比

图7. AlN成核层晶体取向、AlN/Si界面质量与TBC比较

图8. 本研究中AlN薄膜性能对比分析