芯片三（sān）維集成的“風口”之下，金剛石憑啥備受矚目？

       12月5-7日，由DT新材（cái）料主辦的第八屆國際（jì）碳材料大會暨產業展覽會（Carbontech 2024）將在上海新國際博覽中心隆重舉辦。同期針對半導體與加（jiā）工主題特設4大論壇，寬禁帶半導體及創新（xīn）應用論壇（tán）、超硬（yìng）材料與超精密加工論壇、金剛石前沿應用與產業發展論壇、培育鑽石（shí）論壇，已邀請國內外知名專家和企業蒞臨交流，歡迎報名。

       隨著第三代半導體的發展，電（diàn）子器件（jiàn）向著高（gāo）功率、小型化、集成化方（fāng）向發展，器（qì）件的散（sàn）熱問題已經成為關鍵，傳統散熱技（jì）術已難（nán）以滿足第三代半（bàn）導體器件高熱流（liú）的（de）散熱要求（qiú），由此帶（dài）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（shù）藍圖（ITRS）相關預測，到2020年，集成電路功率密度將增加至100W/cm2，而（ér）實（shí）際情況已大大（dà）超出預期，電子芯片的熱流密度已超500W/cm2，熱點處更是高達1000W/cm2。由於（yú）傳統（tǒng）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（rè）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材料。從上（shàng）圖可以看出，金剛石的熱導率*高，同時遷移（yí）率和擊穿電（diàn）場（chǎng）也高，因此（cǐ）也可以作為熱沉材料。   

       製備方法

       製備方法有化（huà）學氣相沉積（CVD）方（fāng）法和高溫高壓HTHP法。

       優缺點：高溫高壓（HTHP）法合成（chéng）的（de）金剛石晶粒尺寸較小，限製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（rè）絲化學氣相沉積法、直流等離子體噴射化學氣相沉（chén）積法和微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)。其中（zhōng）微波等離子體化學氣相沉積法，具有（yǒu）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（chéng）為製備大尺寸和（hé）高品質（zhì）多晶金剛石*有發展前景的技術。   

       金剛石散熱應用

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

       GaN 背麵生長金剛石  圖源：公開網絡（luò）

低溫鍵合工藝  圖源：公開網絡

       金剛石（shí）作為熱沉材料，應用在半（bàn）導體激光器中，通過磁（cí）控濺射係統在CVD金剛石熱沉片表麵沉積 Ti/Pt/Au多層膜，作為金屬（shǔ）化（huà）層。通過電子束蒸發係統沉積（jī）10um厚的In膜，作為半導體激光器封（fēng）裝焊料層。如下圖，采用高精度貼片機，以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（gāng）石作為熱沉材料  圖源：公（gōng）開網（wǎng）絡   

       發展（zhǎn）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、高磨（mó）損性、高化學穩定性，在高功率半導體器件、光電（diàn）器件、能源、航空航天具有廣泛的應用。基於此材料（liào）的（de）高（gāo）效散熱技術有望解決高熱（rè）流散熱難題，我們期待（dài）器件的散熱問題能夠得到較好的解決，提高器件的可靠性（xìng）以及穩定性，提高國家的前沿技（jì）術競爭力以及產（chǎn）業水平。