傳統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率，但在封裝過程中存在導電的風險；而陶瓷材料絕緣性好，強度高，但熱導率較差，隨著裝備小型化、輕量化的要求，以熱導率/密度(λ/ρ)的比值成為評判材料散熱性能的新參數。以Kovar、Invar、氧化鋁為代表的材料λ/ρ較低，一般作為密封及結構材料，熱性能較差；傳統散熱材料如金屬銅、銀、部分合金及SiC等，隨著半導體器件的跨代發展，也越來越難以滿足散熱材料的高要求，λ/ρ達到銅10倍以上的金剛石材料逐漸嶄露頭角，有著輕質高強、超高熱導率、絕緣性好等其他材料難以企及的優勢，受到了學術界和產業界的廣泛關注。

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，傳統HPHT法制備金剛石多成黃色小顆粒狀，隨著產量及制造水平的提升，部分無色寶石級HPHT金剛石已進入市場，但顆粒尺寸仍較小，無法滿足各形態的散熱需求。而CVD法中的微波等離子體化學氣相沉積法（MPCVD法）制備的金剛石具有生長工藝穩定、純度高、可大面積制備易成膜、熱導率高等優點，因此被廣泛用作雷達組件等超高熱流密度條件下的散熱材料。

MPCVD金剛石

目前國內人造金剛石產量達全球95%以上，但主要為HPHT金剛石，而“發展和生產電子器件用金剛石襯底或薄膜技術”受到國外的限制，因此，發展自主知識產權的MPCVD設備是金剛石散熱產業化的關鍵。

MPCVD裝備研發現狀

MPCVD是目前公認制備高品質金剛石的方法，其基本原理是將磁控管產生的2.45 GHz微波經矩形波導管導入石英管中，H₂、CH₄混合氣體在強電場作用下發生解離，分解為原子氫、甲基等20余種不同碳氫基團，其中原子氫及甲基直接參與金剛石生長，擴散至基體表面形核及生長，從而實現金剛石薄膜的沉積。

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，遠不足以達到產業化批量生產及應用的要求，主要存在以下問題：

（1）微波諧振腔設計優化不足，導致腔體內部電場強度低，電離困難，等離子體密度低，生長速率偏慢；

（2）局域電場強度小導致等離子體電離區域小，又因微波場強集中區域為受限于2.45 GHz微波半波長61.2 mm，難以擴大沉積面積；

（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，需及時將熱量導出，樣品連接及冷卻尤為重要。

于是為進一步提高金剛石品質和生長速率，又發展出了多種形式的MPCVD金剛石生長系統，根據沉積腔體的結構可分為：石英鐘罩式、圓柱金屬諧振腔式、環形天線(CAP)式、橢球諧振腔式以及一些其他類似的結構形式。

MPCVD設備

從MPCVD金剛石生長系統的發展歷程可以看出，該系統設計的核心目標是實現大尺寸均勻高密度等離子體穩定激發，同時應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。國內北京科技大學、武漢工程大學、西安交通大學等單位均開展了MPCVD金剛石化學氣相沉積系統的研制工作，并進行了金剛石生長制備，近年來優化了能量密度及均勻性，但部分設備仍存在石英刻蝕、控溫困難等限制高品質金剛石沉積的關鍵問題。

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

GaN器件在微波射頻等領域的應用

金剛石導熱材料的應用

1.單晶超高導熱金剛石材料

單晶金剛石是金剛石材料體系中熱導率最高的，因其為典型的共價鍵晶體，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，通過器件有源區與金剛石緊密接觸利用金剛石超高的熱導率將熱量均勻分布到襯底中；另一種是在單晶金剛石結構中加入微通道結構，利用流體將內部熱量帶出，達到降溫的目的。

（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(MBE)和金屬氧化物化學氣相沉積(MOCVD)的發展而興起。采用單晶金剛石異質外延單晶GaN，由于金剛石優異的導熱性能，相比傳統SiC襯底可大幅降低器件熱阻，同時表面粗糙度低，光學性能良好，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及熱膨脹系數差距大，單晶襯底難以大尺寸批量制備，以及成本過高等難題，待異質外延單晶金剛石質量及產能突破后發展潛力巨大。

（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，提升面內均熱效果，結合微流道，將熱量更快導出，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展較為緩慢。

采用飛秒激光加工出微槽，相比于傳統聚焦離子束(FIB)和反應離子刻蝕(RIE)方法，可以更快更方便地加工三維結構；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，可開發應用于雷達功率組件的單晶金剛石微流道散熱器，這些對雷達組件、高能數據中心等超高熱流密度應用場景發展有著極大推進作用。

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報道了多種技術形式，其中主要有：基于襯底轉移技術的金剛石鍵合，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。

由于鍵合技術作為一種更為靈活的并行工藝，因此對于大功率半導體器件散熱更具有吸引力。但早期的鍵合實驗一般在800℃高溫進行，并且大尺寸高導熱單晶金剛石尚未制備，且需要引入低熱導率的界面鍵合材料，從而導致器件性能優勢無法充分發揮。現階段，多晶金剛石與Si、GaN、Ga₂O₃等的室溫鍵合已經通過表面活化鍵合(SAB)技術實現，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備中產生尺寸穩健的接合或高功率設備的熱管理方面具有廣闊的應用前景。

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，傳統器件一般采用氮化硅為鈍化層，防止外界環境波動對功能層的影響，但熱導率極低，若采用金剛石材料替換傳統鈍化層，可在器件表面進行均熱，為器件增加一條導熱通路，提升器件表面均溫性能。

納米金剛石鈍化器件及顯微照片

總結

單晶金剛石作為襯底材料仍存在著尺寸受限、價格高昂的缺點，這與生長設備息息相關，也是產業研究的重點；目前單晶外延GaN材料仍無法大面積實現，電性能也有所降低，GaN沉積技術日趨完善，實現大面積GaN高質量外延，提高電學特性是其發展方向。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用較為相似，存在經濟性好、制備流程簡單、可大面積制備的優點，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率帶來的增益，如何有效測試界面熱阻，優化連接過程，改善異質連接狀態，降低界面熱阻至關重要，也是現在研究的熱點。

因此，解決上述材料問題，發展配套裝備技術，將為金剛石高效散熱提供更廣闊的應用前景，也有望推進以GaN為代表的第3代半導體器件性能，更進一步接近理論極限。

參考來源：

1.微波等離子體化學氣相沉積法合成高導熱金剛石材料及器件應用進展，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（硅酸鹽學報）；

2.MPCVD單晶金剛石高速率和高品質生長研究進展，李一村、郝曉斌、代兵（人工晶體學報）；

3.異質外延單晶金剛石的研究進展，王偉華、代兵、王楊等。

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