氮化鎵（GaN）半導體具有高的電子飽和速率，高的擊穿場強，在通信衛星、5G通信、雷達等眾多高功率、高頻場景中展現出巨大的應用潛力。但近年來，隨著GaN過濾器件功率密度及頻率的提高，熱堆積問題日益嚴峻，嚴重限制了其性能與可靠性。金剛石作為目前已知熱導率（>2000W/m·K）最高的材料，被視為GaN的理想散熱材料，可以有效提升器件的散熱能力，從而提高其功率密度和可靠性。然而，由于金剛石是立方晶體結構，不同于GaN的纖鋅礦晶體結構，兩者之間存在著較大的晶格失配和熱膨脹系數差異，不僅易使GaN外延層發生剝離或破裂，還會導致兩者界面處存在較高的熱阻，嚴重阻礙了熱量的傳遞。因此，如何解決GaN/金剛石之間的界面熱阻問題，成為當前研究的熱點和難點。 

金剛石如何實現與GaN結合？

以金剛石作為散熱襯底解決GaNHEMT器件散熱問題的技術途徑有三種，分別為金剛石襯底上GaN外延、金剛石與GaN的直接鍵合及 GaN異質外延金剛石技術 。其中，金剛石襯底上GaN外延是在金剛石上直接使用分子束外延（MBE）、MOCVD等方法沉積GaN層，為一種理想且直觀的方式，然而由于兩者之間存在較大的晶格失配和熱膨脹系數差異問題，經常導致外延層材料質量不佳，樣品冷卻時會產生巨大的拉伸應變，因此該方法要進入應用階段尚需較長時間。

GaN異質外延金剛石技術是在去除GaN原襯底及部分緩沖層后，為避免金剛生長所需的高溫、高氫等離子體密度環境對GaN造成破壞，發生嚴重的刻蝕、分解、翹曲、破裂等現象，需要先在GaN背面沉積一層介電層用于保護GaN，而后再沉積金剛石層。不過，由于金剛石高的表面能，在GaN表面難以直接成核，通常需要在GaN表面進行人造成核，人造成核結束以后，在金剛石生長初期，通過生長工藝的控制實現GaN表面金剛石的全覆蓋，并進一步調節金剛石生長工藝，進入金剛石正常生長階段。這種進入金剛石正常生長之前的金剛石成核層熱導率較低，界面熱阻較大。

GaN異質外延金剛石基本流程（參考文獻：3）

直接鍵合是先利用外延生長工藝在其他襯底上沉積GaN半導體材料，然后去除襯底，并與金剛石襯底進行鍵合。由于半導體外延層和金剛石熱沉基板因可在鍵合前獨立制備，既可精簡金剛石基半導體器件工藝，也避免了直接外延生長需要的高溫，降低了熱膨脹失配導致的高密度位錯，大幅提高了半導體器件的散熱能力。不過，同樣由于金剛石的高表面能，往往需要通過等離子體轟擊GaN與金剛石的表面，使它們暴露出新的化學鍵，或在兩者表面之間引入非晶的介質層，再通過等離子體轟擊，才能較好地實現GaN與金剛石的鍵合。而這兩種方式不可避免地產生或引入的納米非晶層，都會導致兩者界面熱阻升高。

GaN和金剛石直接鍵合基本流程（參考文獻：3）

如何降低兩者之間的界面熱阻？

1、介質層的選擇

介質層材料選擇的過程中需要充分考慮介質層材料的熱導率、介質層材料在等離子體環境中的穩定性、介質層材料的熱膨脹。此外，在介質層材料選定以后還需要充分考慮介質層材料的沉積方法、沉積厚度等因素對介質層質量的影響。目前常用的介質層材料主要有硅、氮化硅及氮化鋁介質層。

硅是目前GaN與金剛石鍵合過程中最為常用的介質層，可采用磁控濺射等方式在GaN表面進行硅介質層的沉積。由于處于碳環境中，硅介質層會轉變為碳化硅，使碳化硅與金剛石之間形成較強的化學鍵，從而提高GaN與金剛石之間的結合力。值得注意的是，為了實現GaN與硅之間的有效結合，硅介質層的厚度需要有效的控制，硅介質層過薄，無法有效緩解GaN與金剛石之間的應力，硅介質層過厚會導致硅無法完全轉化為碳化硅，從而無法有效提升GaN與硅之間的結合力。

除了硅作為介質層，氮化鋁與氮化硅也是金剛石和GaN之間常采用的介質層材料。雖然它們為無定形狀態，熱導率較低，但能夠有效避免GaN被等離子體的刻蝕而導致界面粗糙度增加的問題，最終減少兩者之間的空隙而導致的聲子散射現象，能夠很好地降低界面熱阻，尤其是氮化硅介質層，由于能實現更均勻的沉積，相比熱導率更高的氮化鋁，甚至仍能更有效地降低界面熱阻。同時，氮化硅的聲子態 密度范圍很寬，覆蓋了 GaN 金剛石材料，可以使 GaN 與金剛石離散的聲子形成連續態，有利于聲子的傳輸。值得一提的是，早在2017年，英國Bristol大學設備熱成像與可靠性中心（CDTR）的ZHOU等比較了GaN/金剛石直接生長、分別使用SiN或AlN作為GaN和金剛石的介質層3種加工手段的界面熱阻，其中以SiN作為介質層的金剛石基GaN測得了目前其已知報道的最低界面熱阻（TBR，約6.5 m2·K/GW）。

（1）SiN介質層；（2）AlN介質層；（3）無介質層的GaN/金剛石界面 TEM 照片

2、金剛石成核層的控制

GaN 底部進行金剛石直接生長過程中，金剛石的成核層的熱導率遠低于金剛石體材料熱導率，并受成核方式的影響。

目前，金剛石成核層的成核方式有納米顆粒成核、超聲成核、偏壓成核等，其中超聲成核難以 獲得高均勻性的金剛石成核層，金剛石成核層往往存在團聚現象，導致金剛石厚膜生長過程中局部區域出現 空洞，造成界面熱阻的上升，而偏壓成核則會對介質層造成一定 程度的破壞，導致介質層表面質量的下降，從而影響界面熱阻。因此目前常采用金剛石納米顆粒成核技術，該方法通常采用聚合物靜電吸 附的方式輔助成核。

在納米顆粒成核技術中，金剛石納米顆粒的尺寸、成核密度會對界面熱阻產生顯著的影響。大尺寸的金剛石納米顆粒，成核密度低，容易在 GaN 與金剛石的界面處出現大量的空洞，而小尺寸的金剛石納米顆粒則反之，可以使GaN 與 金剛石結合緊密，降低界面熱阻。除此之外，為了降低成本，也可采用用納米與微米尺寸金剛石顆粒結合進行聚合物輔助金剛石人造成核。即首先在 GaN 表面利用微米尺寸金剛石顆粒形成金剛石成核層，然后進一步以金剛石納米顆粒填充金 剛石成核層的間隙位置，通過這種方式能夠實現無縫隙的金剛石人造成核層，有效降低界面熱阻。

100 nm 金剛石顆粒成核生長金剛石后 GaN/金剛石界面圖像（參考文獻：4）

100 nm 金剛石顆粒成核生長金剛石后 GaN/金剛石界面圖像（參考文獻：4）

小結

金剛石材料被視為高功率GaN器件的理想散熱材料，目前常采用直接鍵合或者GaN上異質外延金剛石的方式使兩者結合，但由于兩者存在晶格失配和熱膨脹系數差異，使得界面熱阻問題成為了它們應用的難題。在上述兩種結合技術中，為了保護GaN器件，并提升兩者結合強度，不可避免地需要引入非晶的介質層，同時在GaN異質外延金剛石技術中，由于金剛石的高表面能，還需要在GaN表面進行人造成核。而介質層和成核層都會對界面熱阻造成影響，因此選擇合適介質層，并對成核過程進行合理控制，目前，硅、氮化硅、氮化鋁等材料是金剛石基GaND的常用介質層材料，而在對成核層的控制上則采用納米顆粒成核技術，能夠使GaN 與金剛石結合緊密，降低界面熱阻。

參考文獻：

1、蘭飛飛,劉莎莎,房詩舒,等.金剛石基GaN界面熱阻控制研究進展[J].人工晶體學報.

2、杜建宇,唐睿,張曉宇,等.基于金剛石的先進熱管理技術研究進展[J].電子與封裝.

3、吳海平,安康,許光宇,等.金剛石/GaN異質外延與鍵合技術研究進展[J].表面技術

4、.LIU D，FＲANCIS D，FAILI F，et al． Impact of diamond seeding on the microstructural properties and thermal stability of GaN-on-diamond wafers for high-power electronic devices［J］． Scripta Materialia．

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