芯（xīn）片三維（wéi）集成的“風口”之下，金剛石憑啥備受矚目？

       12月5-7日，由DT新材（cái）料主（zhǔ）辦的第八屆國際碳材料大會暨（jì）產業展覽會（Carbontech 2024）將在上海新國際博覽中心隆重舉辦。同期針對半（bàn）導體與（yǔ）加工主題特設4大論壇，寬禁帶半導體及創新應用論壇、超硬材料與超精密（mì）加工論壇、金剛石前沿應用與產業發展論壇、培育鑽石論壇，已（yǐ）邀請國內外知名專家和企業蒞（lì）臨交流，歡（huān）迎報（bào）名。

       隨著第三代半導體的發展，電（diàn）子器（qì）件向著（zhe）高功（gōng）率、小型化、集成化方（fāng）向發展，器件的散熱問題已經成為關鍵，傳統散熱技術已難（nán）以滿足第三代半導體器件高熱流的散熱（rè）要（yào）求，由此帶來的溫度堆積問題成為產業亟待解決的問題。

       據國際半導體技術藍圖（ITRS）相（xiàng）關預測，到2020年，集成電路功率密度將增加至（zhì）100W/cm2，而實際情況已大大超出（chū）預期，電子芯（xīn）片的（de）熱流密度已（yǐ）超500W/cm2，熱點處更是高達（dá）1000W/cm2。由於傳統散熱材料/器件散熱能力的不足，第三代半導（dǎo）體器件隻能發（fā）揮其理論性能的20%-30%。

       金剛石基材料被稱為“**”散熱材料，是大功率電子器件、半導體芯片、5G 通信、T/R 組件等器件的關鍵散熱（rè）材料。從上圖可（kě）以看出，金剛石的熱導率*高（gāo），同時遷移率和擊穿電場（chǎng）也（yě）高，因此也可以作為熱沉材料（liào）。   

       製備方法

       製備（bèi）方法（fǎ）有化學（xué）氣相沉積（jī）（CVD）方法和高（gāo）溫高壓HTHP法。

       優缺點：高（gāo）溫高壓（HTHP）法合成（chéng）的金剛石晶粒尺寸較小（xiǎo），限製（zhì）了其在大麵積散（sàn）熱（rè）領域（yù）的應用；而 CVD 法能夠合成（chéng）尺寸較大的金剛石散熱片，主要是CVD法。

       CVD法：包括熱絲化學（xué）氣相沉積法、直流等離子（zǐ）體（tǐ）噴射化學氣相沉積法和微波等（děng）離（lí）子體化學氣（qì）相沉積法(MPCVD)。其中（zhōng）微波等（děng）離子體化學氣（qì）相沉（chén）積法，具有微波能量無汙染和氣體原料純淨等優勢，在眾多金剛石製備方法中脫穎而出，成為製備大尺寸和高品質多晶金剛石*有發展前景的技術（shù）。   

       金剛石（shí）散熱應用

       金剛石與半導體（tǐ）器件的應（yīng）用，一是采用直接沉積，二是采用鍵合的方法。直接沉積，由於（yú）存在晶格失配嚴重（chóng），沉積較為困難，有采（cǎi）用MBE或者MOCVD來（lái）進行沉積。如下圖，在（zài）GaN背麵沉積外（wài）延層25um的金剛石（shí）層，製備出高效散熱的AlGaN/GaN HEMT器件。

       GaN 背麵生長金剛石（shí）  圖源：公開網絡

低溫鍵合工藝  圖源：公開網絡

       金剛石作（zuò）為熱沉材料，應用在半導體激（jī）光器中，通過磁控濺射係統（tǒng）在CVD金剛石熱沉（chén）片表麵沉積（jī） Ti/Pt/Au多層膜，作為金屬化層。通過電子束蒸發係統沉積10um厚的In膜，作為半導體激（jī）光器封裝焊料層。如下（xià）圖（tú），采用高精度貼片機，以COS（chip on submount）結構將半（bàn）導體激光器線陣貼片於金剛（gāng）石熱沉（chén）表麵，並貼片於銅基水冷熱沉。

金剛石作（zuò）為熱沉（chén）材料  圖源：公開網絡   

       發展趨勢

       金剛石基材（cái）料具有具有獨（dú）特的物理和（hé）化學性質，如高熱導率、高磨損性、高化學穩定（dìng）性，在高功（gōng）率半導體器件、光（guāng）電（diàn）器件、能源、航空航（háng）天具有廣（guǎng）泛的應用。基於此材料的高效散熱技術有望解決高熱流散熱難題，我們期待器件的散（sàn）熱問題能夠得到較好（hǎo）的解決，提高（gāo）器件的（de）可靠性以及穩（wěn）定性，提高國家的前沿技術競爭力以及產業水平。