隨著AI終端行業(yè)的快速發(fā)展，所需的數(shù)據(jù)處理量和計(jì)算能力急劇增加，高速光模塊，高功率激光器，激光投影等大功率器件的應(yīng)用越來(lái)越多，這不僅帶來(lái)了高能量的消耗，同時(shí)也產(chǎn)生各種發(fā)熱、散熱的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，影響器件的使用性能，甚至導(dǎo)致器件失效。因此需要導(dǎo)熱性能較高的散熱材料將積累的熱量有效導(dǎo)出，而金剛石是目前自然界具有最高熱導(dǎo)率的材料，約為1,500-2,200 W/mK，成為了功率半導(dǎo)體器件中散熱材料的理想選擇。

來(lái)源：碳索芯材

目前金剛石在半導(dǎo)體功率器件的散熱應(yīng)用主要有三種：一是金剛石鈍化散熱技術(shù)，即直接在器件頂部沉積金剛石，提高熱點(diǎn)頂部的熱擴(kuò)散，同時(shí)起到增大換熱面積的作用；二是作為襯底散熱，主要有GaN底部異質(zhì)外延金剛石、金剛石表面異質(zhì)外延GaN和鍵合技術(shù)，三是作為封裝熱沉，在其中構(gòu)筑微通道結(jié)構(gòu)。

一、金剛石襯底

以單晶金剛石作為外延生長(zhǎng)襯底的電子器件，相比現(xiàn)有的Si、SiC等電力轉(zhuǎn)換器件和開(kāi)關(guān)電源，可以大幅減小轉(zhuǎn)換器件尺寸，且能提供優(yōu)異的散熱效果，解決集成電路散熱瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的大幅提升和功耗的大幅下降，可靠性大幅提升。當(dāng)前，單晶金剛石基器件主要通過(guò)三種方式制得：一是直接在金剛石襯底上沉積半導(dǎo)體材料，二是與半導(dǎo)體材料進(jìn)行鍵合，三是基于外延層生長(zhǎng)金剛石技術(shù)。

1、金剛石襯底沉積異質(zhì)外延

直接在金剛石襯底上通過(guò)沉積Si、SiC和GaN等半導(dǎo)體，然后在此外延層上利用刻蝕等手段來(lái)制備半導(dǎo)體器件，是一種理想且直觀的方式，然而，GaN和AlN等氮化物半導(dǎo)體為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，與金剛石的結(jié)構(gòu)存在較大的差異，晶格不匹配較嚴(yán)重，經(jīng)常導(dǎo)致外延層材料質(zhì)量不佳，并導(dǎo)致電學(xué)性能差，同時(shí)金剛石和GaN等的熱膨脹系數(shù)也相差較大，導(dǎo)致外延層生長(zhǎng)后，樣品冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的拉伸應(yīng)變，這將導(dǎo)致外延層開(kāi)裂，因此該方法要進(jìn)入應(yīng)用階段尚需較長(zhǎng)時(shí)間。

2、低溫鍵合技術(shù)

該技術(shù)是先利用外延生長(zhǎng)工藝在其他襯底上沉積半導(dǎo)體材料，然后去除襯底，并與金剛石襯底進(jìn)行低溫鍵合。由于半導(dǎo)體外延層和金剛石熱沉基板因可在鍵合前獨(dú)立制備，既可精簡(jiǎn)金剛石基半導(dǎo)體器件工藝，也避免了直接外延生長(zhǎng)需要的高溫，降低了熱膨脹失配導(dǎo)致的高密度位錯(cuò)，大幅提高了半導(dǎo)體器件的散熱能力。

目前多晶金剛石與Si、GaN、Ga2O3等的室溫鍵合已經(jīng)通過(guò)表面活化鍵合（SAB）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此外，還有共晶鍵合、瞬態(tài)液相(TLP)鍵合、陽(yáng)極鍵合、親水鍵合、混合鍵合等常用鍵合方法。但是利用這種方式實(shí)現(xiàn)金剛石與半導(dǎo)體材料的鍵合對(duì)于金剛石熱沉基板和半導(dǎo)體外延層的平整度、表面粗糙度要求較高，同時(shí)還由于直接鍵合的方式需要施加較大的壓力，存在良率較低的問(wèn)題。

表面活化鍵合的基本流程

3、基于外延層生長(zhǎng)金剛石襯底

于外延層背面直接生長(zhǎng)金剛石的方法也是在其他襯底上沉積半導(dǎo)體材料，然后去除襯底，不過(guò)與低溫鍵合技術(shù)不同，其去除襯底及部分緩沖層后，會(huì)信在外延層背面首先沉積一層介電層用于保護(hù)GaN外延層，而后再沉積金剛石襯底（厚度~100μm），因此相較于鍵合技術(shù)該技術(shù)可以使界面熱阻降到更低，在制備金剛石基半導(dǎo)體器件方面具有極大潛力，但由于涉及到高溫沉積，對(duì)熱失配控制是重大挑戰(zhàn)。

使用襯底移除工藝在外延GaN上直接生長(zhǎng)金剛石的流程（來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

二、金剛石微通道熱沉

高熱流密度器件采用金剛石襯底，提升面內(nèi)均熱效果，再結(jié)合微流道，可以通過(guò)周期性改善流動(dòng)混合以及通過(guò)產(chǎn)生二次流來(lái)增加湍流率來(lái)提高傳熱系數(shù)。將熱量更快導(dǎo)出，而帶來(lái)更高的散熱效率。長(zhǎng)期以來(lái)，由于金剛石硬度較高，難以加工，一直以來(lái)金剛石微流道散熱研究進(jìn)展都較為緩慢，不過(guò)目前隨著飛秒激光技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)激光能量和寫(xiě)入速度，實(shí)現(xiàn)更快更方便地在單晶金剛石中加工三維結(jié)構(gòu)，這將在高能數(shù)據(jù)中心等超高熱流密度應(yīng)用場(chǎng)景中有極大的發(fā)展前景。

金剛石微通道結(jié)構(gòu)（來(lái)源：參考文獻(xiàn)4）

三、金剛石膜鈍化層

為保護(hù)半導(dǎo)體表面免受外界環(huán)境（如化學(xué)污染或濕氣）的侵害，保護(hù)功能層不受影響，往往需要在芯片表面覆蓋一層致密性好、隔離和絕緣能力強(qiáng)的鈍化層。目前鈍化層通常是由氮化硅制成，其結(jié)構(gòu)致密、硬度大、介電強(qiáng)度高、且化學(xué)穩(wěn)定性好，幾乎不與任何酸類(lèi)反應(yīng)，但由于熱導(dǎo)率極低，在高功率半導(dǎo)體器件中使用會(huì)受到一定的限制。若采用納米金剛石薄膜替換原有源區(qū)的傳統(tǒng)鈍化層，直接淀積在器件頂部，則可以增強(qiáng)熱點(diǎn)頂部的熱擴(kuò)散，對(duì)器件表面進(jìn)行均熱，為器件增加一條導(dǎo)熱通路，提升器件表面均溫性能，散熱效率更高。

具有金剛石鈍化層的GaN HEMTs結(jié)構(gòu)

目前金剛石鈍化層通常使用異質(zhì)外延的方法制備，如MPCVD、HFCVD等，這些方法都需要高溫、富氫等離子體的條件，半導(dǎo)體材料會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的刻蝕、分解，且金剛石和GaN等半導(dǎo)體材料之間還存在熱膨脹失配的問(wèn)題，因此導(dǎo)致在半導(dǎo)體器件直接沉積金剛石需要低溫條件并且需要耐氫設(shè)計(jì)。在耐氫保護(hù)層表面，金剛石需要均勻高密度形核，同時(shí)需要高定向排列，以提升金剛石鈍化層整體導(dǎo)熱能力。

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