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用越來越多，這不僅帶來了高能量的消耗，同時也產(chǎn)生各種發(fā)熱、散熱的現(xiàn)實問題，影響器件的使用性能，甚至導致器件失效。因此需要導熱性能較高的散熱材料將積累的熱量有效導出，而金剛石是目前自然界具有最高熱導率的材料，約為1,500-2,200 W/mK，成為了功率半導體器件中散熱材料的理想選擇。

來源：碳索芯材

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

一、金剛石襯底

以單晶金剛石作為外延生長襯底的電子器件，相比現(xiàn)有的Si、SiC等電力轉換器件和開關電源，可以大幅減小轉換器件尺寸，且能提供優(yōu)異的散熱效果，解決集成電路散熱瓶頸問題，實現(xiàn)轉化效率的大幅提升和功耗的大幅下降，可靠性大幅提升。當前，單晶金剛石基器件主要通過三種方式制得：一是直接在金剛石襯底上沉積半導體材料，二是與半導體材料進行鍵合，三是基于外延層生長金剛石技術。

1、金剛石襯底沉積異質外延

直接在金剛石襯底上通過沉積Si、SiC和GaN等半導體，然后在此外延層上利用刻蝕等手段來制備半導體器件，是一種理想且直觀的方式，然而，GaN和AlN等氮化物半導體為六方纖鋅礦結構，與金剛石的結構存在較大的差異，晶格不匹配較嚴重，經(jīng)常導致外延層材料質量不佳，并導致電學性能差，同時金剛石和GaN等的熱膨脹系數(shù)也相差較大，導致外延層生長后，樣品冷卻時會產(chǎn)生巨大的拉伸應變，這將導致外延層開裂，因此該方法要進入應用階段尚需較長時間。

2、低溫鍵合技術

該技術是先利用外延生長工藝在其他襯底上沉積半導體材料，然后去除襯底，并與金剛石襯底進行低溫鍵合。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。

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

表面活化鍵合的基本流程

3、基于外延層生長金剛石襯底

于外延層背面直接生長金剛石的方法也是在其他襯底上沉積半導體材料，然后去除襯底，不過與低溫鍵合技術不同，其去除襯底及部分緩沖層后，會信在外延層背面首先沉積一層介電層用于保護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該技術可以使界面熱阻降到更低，在制備金剛石基半導體器件方面具有極大潛力，但由于涉及到高溫沉積，對熱失配控制是重大挑戰(zhàn)。

使用襯底移除工藝在外延GaN上直接生長金剛石的流程（來源：參考文獻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，再結合微流道，可以通過周期性改善流動混合以及通過產(chǎn)生二次流來增加湍流率來提高傳熱系數(shù)。將熱量更快導出，而帶來更高的散熱效率。長期以來，由于金剛石硬度較高，難以加工，一直以來金剛石微流道散熱研究進展都較為緩慢，不過目前隨著飛秒激光技術的飛速發(fā)展，已經(jīng)能夠通過調(diào)節(jié)激光能量和寫入速度，實現(xiàn)更快更方便地在單晶金剛石中加工三維結構，這將在高能數(shù)據(jù)中心等超高熱流密度應用場景中有極大的發(fā)展前景。

金剛石微通道結構（來源：參考文獻4）

三、金剛石膜鈍化層

為保護半導體表面免受外界環(huán)境（如化學污染或濕氣）的侵害，保護功能層不受影響，往往需要在芯片表面覆蓋一層致密性好、隔離和絕緣能力強的鈍化層。目前鈍化層通常是由氮化硅制成，其結構致密、硬度大、介電強度高、且化學穩(wěn)定性好，幾乎不與任何酸類反應，但由于熱導率極低，在高功率半導體器件中使用會受到一定的限制。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，則可以增強熱點頂部的熱擴散，對器件表面進行均熱，為器件增加一條導熱通路，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結構

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

參考文獻：

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