芯片三維集成的（de）“風（fēng）口”之下，金剛石憑啥備受（shòu）矚目？

       12月5-7日，由DT新材料主（zhǔ）辦的第八屆國際碳材（cái）料大（dà）會暨產業展覽會（Carbontech 2024）將（jiāng）在（zài）上海新（xīn）國際博覽（lǎn）中心隆重舉辦。同期（qī）針對半導體與加工主題特設4大（dà）論壇，寬禁帶（dài）半導體及創新應用論壇、超硬材料與超精密加工論壇、金剛石前沿應用與產業發展論壇、培育鑽（zuàn）石（shí）論壇，已邀（yāo）請國內外（wài）知名專家和企業蒞（lì）臨交流，歡迎（yíng）報名（míng）。

       隨著第（dì）三（sān）代（dài）半導體的發展，電子器件向著高功率、小型化、集成化方向發展，器件的散熱問題已經成為關鍵，傳統（tǒng）散熱技術已難以滿足第三代半導體器件高熱流的散熱要求，由此帶來的溫度堆積問（wèn）題成為產業亟待解決（jué）的問題。

       據國際半導體技術藍圖（ITRS）相關預測，到2020年，集成電（diàn）路（lù）功率（lǜ）密度（dù）將增加至100W/cm2，而實際（jì）情況已大大超（chāo）出預（yù）期，電（diàn）子（zǐ）芯片的熱流密度已超500W/cm2，熱點處更是高達1000W/cm2。由於傳統散熱材（cái）料/器（qì）件散熱能力（lì）的不足，第三代半導（dǎo）體器（qì）件隻能發揮（huī）其理論（lùn）性能的20%-30%。

       金剛石基材料被稱為“**”散熱材料（liào），是大功率電（diàn）子器件（jiàn）、半（bàn）導（dǎo）體芯片、5G 通信、T/R 組件等器件的關鍵散（sàn）熱材料。從上圖可以看出，金剛石的（de）熱導率*高，同時（shí）遷移率和擊穿電（diàn）場也高，因此也可以作（zuò）為熱沉材料。   

       製備方法

       製備方法有化學氣相沉積（CVD）方法和高溫高壓HTHP法。

       優缺點：高溫高壓（HTHP）法合成的金剛石晶粒尺寸較小，限製（zhì）了其在大麵積散熱領域的應用；而 CVD 法能夠合成尺寸較大的金剛石散熱片，主要是CVD法。

       CVD法：包括熱絲化學氣相沉積法、直流等離子體噴射化學氣相沉積法和微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)。其中微（wēi）波等離子體化學氣相沉（chén）積法，具有（yǒu）微波能量無汙染和氣體原料純淨等優勢，在眾（zhòng）多金剛石製備方（fāng）法（fǎ）中脫穎而（ér）出，成為製備（bèi）大尺寸和高品質多（duō）晶金剛石*有發展前（qián）景的技術。   

       金剛石散熱應用

       金剛石與半導體器件的（de）應用，一是采（cǎi）用直接沉積（jī），二是采用（yòng）鍵合的方法。直（zhí）接沉積，由於存在晶格失配嚴重，沉積較（jiào）為困難，有采用MBE或者MOCVD來進行沉積。如下圖（tú），在GaN背麵沉積外延層25um的金剛石層，製備出（chū）高效散（sàn）熱的AlGaN/GaN HEMT器件。

       GaN 背麵（miàn）生長金剛（gāng）石  圖源：公開網絡

低溫鍵合工藝  圖源：公開網絡

       金剛石（shí）作為熱沉（chén）材（cái）料，應用在半導體激光器中，通（tōng）過（guò）磁控濺射係（xì）統（tǒng）在CVD金剛石熱沉片表麵（miàn）沉積 Ti/Pt/Au多層膜，作為金屬化層。通過電子束蒸（zhēng）發係統沉積（jī）10um厚的In膜，作為半導體（tǐ）激光器封裝焊料層。如下圖，采用高精度貼片機，以（yǐ）COS（chip on submount）結構將半導體激光器線陣貼片於金剛石熱沉表麵，並貼片於銅基水冷熱沉。

金剛石作為熱沉材料  圖源：公開（kāi）網（wǎng）絡   

       發展趨勢

       金剛石基材料具有具有獨特的物理和化學性質，如高熱導率、高（gāo）磨損性、高化學穩定性，在高功率半導體器件（jiàn）、光電（diàn）器件、能源、航空航天具有廣泛的應用。基於此（cǐ）材料的高效散熱技術有望解（jiě）決高熱流散熱難題，我（wǒ）們期待器件的散熱問題能夠得到較好的解決，提高器件的可靠性以（yǐ）及穩定（dìng）性，提高國家的前沿技術競（jìng）爭力以及產業水平。