傳統(tǒng)散熱材料以金屬及合金、陶瓷材料等為主，金屬材料有著較高的熱導(dǎo)率，但在封裝過程中存在導(dǎo)電的風(fēng)險(xiǎn)；而陶瓷材料絕緣性好，強(qiáng)度高，但熱導(dǎo)率較差，隨著裝備小型化、輕量化的要求，以熱導(dǎo)率/密度(λ/ρ)的比值成為評判材料散熱性能的新參數(shù)。以Kovar、Invar、氧化鋁為代表的材料λ/ρ較低，一般作為密封及結(jié)構(gòu)材料，熱性能較差；傳統(tǒng)散熱材料如金屬銅、銀、部分合金及SiC等，隨著半導(dǎo)體器件的跨代發(fā)展，也越來越難以滿足散熱材料的高要求，λ/ρ達(dá)到銅10倍以上的金剛石材料逐漸嶄露頭角，有著輕質(zhì)高強(qiáng)、超高熱導(dǎo)率、絕緣性好等其他材料難以企及的優(yōu)勢，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

金剛石微粉

目前，人造金剛石主要存在高溫高壓法（HPHT法）及化學(xué)氣相沉積法（CVD法）2種制備方法。

HPHT法主要用于單晶塊體顆粒金剛石的制備，由于制備過程采用金屬催化劑且含較多氮雜質(zhì)，傳統(tǒng)HPHT法制備金剛石多成黃色小顆粒狀，隨著產(chǎn)量及制造水平的提升，部分無色寶石級HPHT金剛石已進(jìn)入市場，但顆粒尺寸仍較小，無法滿足各形態(tài)的散熱需求。而CVD法中的微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（MPCVD法）制備的金剛石具有生長工藝穩(wěn)定、純度高、可大面積制備易成膜、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用作雷達(dá)組件等超高熱流密度條件下的散熱材料。

MPCVD金剛石

目前國內(nèi)人造金剛石產(chǎn)量達(dá)全球95%以上，但主要為HPHT金剛石，而“發(fā)展和生產(chǎn)電子器件用金剛石襯底或薄膜技術(shù)”受到國外的限制，因此，發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的MPCVD設(shè)備是金剛石散熱產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

MPCVD裝備研發(fā)現(xiàn)狀

MPCVD是目前公認(rèn)制備高品質(zhì)金剛石的方法，其基本原理是將磁控管產(chǎn)生的2.45 GHz微波經(jīng)矩形波導(dǎo)管導(dǎo)入石英管中，H₂、CH₄混合氣體在強(qiáng)電場作用下發(fā)生解離，分解為原子氫、甲基等20余種不同碳?xì)浠鶊F(tuán)，其中原子氫及甲基直接參與金剛石生長，擴(kuò)散至基體表面形核及生長，從而實(shí)現(xiàn)金剛石薄膜的沉積。

不過由于MPCVD所使用的功率和氣壓較低(300~700 W、1~8kPa)，因此金剛石生長速率一般不足3μm/h，遠(yuǎn)不足以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)及應(yīng)用的要求，主要存在以下問題：

（1）微波諧振腔設(shè)計(jì)優(yōu)化不足，導(dǎo)致腔體內(nèi)部電場強(qiáng)度低，電離困難，等離子體密度低，生長速率偏慢；

（2）局域電場強(qiáng)度小導(dǎo)致等離子體電離區(qū)域小，又因微波場強(qiáng)集中區(qū)域?yàn)槭芟抻?.45 GHz微波半波長61.2 mm，難以擴(kuò)大沉積面積；

（3）樣品冷卻困難，提高功率密度過程中熱量積聚于樣品，若要保持生長適宜溫度，需及時(shí)將熱量導(dǎo)出，樣品連接及冷卻尤為重要。

于是為進(jìn)一步提高金剛石品質(zhì)和生長速率，又發(fā)展出了多種形式的MPCVD金剛石生長系統(tǒng)，根據(jù)沉積腔體的結(jié)構(gòu)可分為：石英鐘罩式、圓柱金屬諧振腔式、環(huán)形天線(CAP)式、橢球諧振腔式以及一些其他類似的結(jié)構(gòu)形式。

MPCVD設(shè)備

從MPCVD金剛石生長系統(tǒng)的發(fā)展歷程可以看出，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大尺寸均勻高密度等離子體穩(wěn)定激發(fā)，同時(shí)應(yīng)保證等離子體貼近襯底基座且無次生等離子體對石英窗口的刻蝕。國內(nèi)北京科技大學(xué)、武漢工程大學(xué)、西安交通大學(xué)等單位均開展了MPCVD金剛石化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的研制工作，并進(jìn)行了金剛石生長制備，近年來優(yōu)化了能量密度及均勻性，但部分設(shè)備仍存在石英刻蝕、控溫困難等限制高品質(zhì)金剛石沉積的關(guān)鍵問題。

此外，微波頻率的穩(wěn)定性、微波能量的單一性問題也是研究需要攻克的方向。隨著GaN器件的發(fā)展，第3代半導(dǎo)體固態(tài)微波源即將取代磁控管，成為大功率高穩(wěn)定微波源模塊化、小型化的必然選擇。同時(shí)，多束能量耦合激發(fā)等離子體如射頻、激光等能量的加入也將為MPCVD設(shè)備開啟新篇章。

GaN器件在微波射頻等領(lǐng)域的應(yīng)用

金剛石導(dǎo)熱材料的應(yīng)用

1.單晶超高導(dǎo)熱金剛石材料

單晶金剛石是金剛石材料體系中熱導(dǎo)率最高的，因其為典型的共價(jià)鍵晶體，晶格非諧振動弱，聲子平均自由程長，傳輸速度快，因此熱導(dǎo)率極高。

單晶金剛石用作散熱主要有2種方式，一種是直接用作替代外延襯底，原位生長材料制備器件，通過器件有源區(qū)與金剛石緊密接觸利用金剛石超高的熱導(dǎo)率將熱量均勻分布到襯底中；另一種是在單晶金剛石結(jié)構(gòu)中加入微通道結(jié)構(gòu)，利用流體將內(nèi)部熱量帶出，達(dá)到降溫的目的。

（1）單晶金剛石襯底外延器件

單晶金剛石表面外延器件是隨著分子束外延技術(shù)(MBE)和金屬氧化物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的發(fā)展而興起。采用單晶金剛石異質(zhì)外延單晶GaN，由于金剛石優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，相比傳統(tǒng)SiC襯底可大幅降低器件熱阻，同時(shí)表面粗糙度低，光學(xué)性能良好，可提高外延GaN器件的性能。

金剛石及 SiC 基 GaN HEMTs器件性能對比測試

但是，單晶金剛石基器件仍面臨著外延層晶格常數(shù)及熱膨脹系數(shù)差距大，單晶襯底難以大尺寸批量制備，以及成本過高等難題，待異質(zhì)外延單晶金剛石質(zhì)量及產(chǎn)能突破后發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>

（2）單晶金剛石微通道散熱

將高熱流密度器件采用金剛石襯底，提升面內(nèi)均熱效果，結(jié)合微流道，將熱量更快導(dǎo)出，必然將帶來更高的散熱效率，然而由于金剛石難以加工，一直以來金剛石微流道散熱研究進(jìn)展較為緩慢。

采用飛秒激光加工出微槽，相比于傳統(tǒng)聚焦離子束(FIB)和反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，可以更快更方便地加工三維結(jié)構(gòu)；也有采用金屬掩膜過渡生長的方法，在金剛石表面利用金屬制備掩膜版，金剛石生長過程中會產(chǎn)生橫向外延過程(ELO)覆蓋金屬掩膜，從而形成金剛石槽道，可開發(fā)應(yīng)用于雷達(dá)功率組件的單晶金剛石微流道散熱器，這些對雷達(dá)組件、高能數(shù)據(jù)中心等超高熱流密度應(yīng)用場景發(fā)展有著極大推進(jìn)作用。

金剛石及微流道顯微形貌

2.多晶金剛石材料

目前，將金剛石作為功率器件的熱沉或襯底目前已經(jīng)報(bào)道了多種技術(shù)形式，其中主要有：基于襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)的金剛石鍵合，基于金剛石鈍化層的低溫沉積以及金剛石上的器件外延生長。

由于鍵合技術(shù)作為一種更為靈活的并行工藝，因此對于大功率半導(dǎo)體器件散熱更具有吸引力。但早期的鍵合實(shí)驗(yàn)一般在800℃高溫進(jìn)行，并且大尺寸高導(dǎo)熱單晶金剛石尚未制備，且需要引入低熱導(dǎo)率的界面鍵合材料，從而導(dǎo)致器件性能優(yōu)勢無法充分發(fā)揮。現(xiàn)階段，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(shù)實(shí)現(xiàn)，從而大大降低了器件與金剛石之間的熱膨脹失配。在各種電子組件中的互連以及在激光設(shè)備中產(chǎn)生尺寸穩(wěn)健的接合或高功率設(shè)備的熱管理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

采用表面活化鍵合(SAB)方法在室溫下制備GaN/金剛石異質(zhì)界面

3.納米金剛石材料

納米金剛石膜材料用作散熱一般為高熱流密度器件鈍化層，傳統(tǒng)器件一般采用氮化硅為鈍化層，防止外界環(huán)境波動對功能層的影響，但熱導(dǎo)率極低，若采用金剛石材料替換傳統(tǒng)鈍化層，可在器件表面進(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。

納米金剛石鈍化器件及顯微照片

總結(jié)

單晶金剛石作為襯底材料仍存在著尺寸受限、價(jià)格高昂的缺點(diǎn)，這與生長設(shè)備息息相關(guān)，也是產(chǎn)業(yè)研究的重點(diǎn)；目前單晶外延GaN材料仍無法大面積實(shí)現(xiàn)，電性能也有所降低，GaN沉積技術(shù)日趨完善，實(shí)現(xiàn)大面積GaN高質(zhì)量外延，提高電學(xué)特性是其發(fā)展方向。大尺寸多晶金剛石的鍵合及納米金剛石鈍化在器件中的應(yīng)用較為相似，存在經(jīng)濟(jì)性好、制備流程簡單、可大面積制備的優(yōu)點(diǎn)，但是其性能受界面熱阻的影響較大，高界面熱阻限制了高熱導(dǎo)率帶來的增益，如何有效測試界面熱阻，優(yōu)化連接過程，改善異質(zhì)連接狀態(tài)，降低界面熱阻至關(guān)重要，也是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。

因此，解決上述材料問題，發(fā)展配套裝備技術(shù)，將為金剛石高效散熱提供更廣闊的應(yīng)用前景，也有望推進(jìn)以GaN為代表的第3代半導(dǎo)體器件性能，更進(jìn)一步接近理論極限。

參考來源：

1.微波等離子體化學(xué)氣相沉積法合成高導(dǎo)熱金剛石材料及器件應(yīng)用進(jìn)展，趙繼文、郝曉斌、趙柯臣、李一村、張森、劉康、代兵、郭懷新、韓杰才、朱嘉琦（硅酸鹽學(xué)報(bào)）；

2.MPCVD單晶金剛石高速率和高品質(zhì)生長研究進(jìn)展，李一村、郝曉斌、代兵（人工晶體學(xué)報(bào)）；

3.異質(zhì)外延單晶金剛石的研究進(jìn)展，王偉華、代兵、王楊等。

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