芯（xīn）片三維集成的“風口”之下，金剛（gāng）石憑啥備受矚目？

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

       隨著第三代半（bàn）導（dǎo）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（jiàn）的散熱問題已經成為（wéi）關鍵，傳統散熱技術已難以滿足第三代半導體器件高熱流（liú）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的問題。

       據國際半導體技術藍圖（ITRS）相關預測，到2020年，集成電路功率密度將增加至100W/cm2，而（ér）實際情況已大大超出預（yù）期，電子芯片的熱流（liú）密度已超500W/cm2，熱點處更是高達1000W/cm2。由於傳統（tǒng）散熱材料/器件散熱能力的（de）不足，第三代半導體器件隻能發揮其理論性能的20%-30%。

       金剛石基材料被稱為“**”散熱材料，是大（dà）功率電（diàn）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（liào）。從上圖可以看出，金剛石的熱導率*高，同時遷移率和擊穿電場也高，因此也可以作為熱（rè）沉材料。   

       製（zhì）備（bèi）方法

       製（zhì）備（bèi）方法有化學氣相沉積（CVD）方法和高溫高壓HTHP法。

       優（yōu）缺點：高溫高壓（HTHP）法合（hé）成的金剛石晶粒尺寸較（jiào）小，限（xiàn）製了其在大麵積散熱領域的應用；而 CVD 法能（néng）夠合成尺寸較大的（de）金剛石散熱片，主要（yào）是CVD法。

       CVD法：包括熱絲化學氣相沉積法、直（zhí）流等離子體噴射（shè）化學氣相沉積法和（hé）微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)。其中（zhōng）微波等離子體化（huà）學氣相沉積法，具有微波能量無汙染（rǎn）和氣（qì）體原料純淨等優勢，在眾多金（jīn）剛石製備方法（fǎ）中脫穎而出（chū），成為製（zhì）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（dǎo）體器件的應用，一是采用直接（jiē）沉積，二是（shì）采（cǎi）用鍵合的方法。直接（jiē）沉積，由（yóu）於存（cún）在晶格失配嚴重，沉（chén）積（jī）較為困難，有采用MBE或者（zhě）MOCVD來進行沉（chén）積。如下圖，在GaN背（bèi）麵沉積外延層25um的金剛石層，製備（bèi）出高效散（sàn）熱的AlGaN/GaN HEMT器件。

       GaN 背麵生（shēng）長金剛石  圖源：公開網絡

低溫鍵合工藝  圖源：公開網絡

       金剛石作為（wéi）熱沉材（cái）料，應（yīng）用在半（bàn）導體激光（guāng）器中，通過磁控濺射係統在CVD金剛石熱沉片表麵沉積 Ti/Pt/Au多層膜，作為金屬化層。通過電子束（shù）蒸發係統沉積10um厚的In膜，作為半導體激光器封裝焊（hàn）料層。如下圖，采（cǎi）用高精度貼片機，以COS（chip on submount）結構將半導體激光器（qì）線陣（zhèn）貼片於金剛石熱沉（chén）表麵，並（bìng）貼片於銅基水冷熱沉。

金剛石作為熱沉材料  圖源：公開（kāi）網絡   

       發展趨勢

       金剛石基材料具有具有獨特的物（wù）理和化學性質，如高熱導率（lǜ）、高（gāo）磨損性、高化學穩定性，在高功率半導體器件、光電器件、能源、航空航天具有廣泛的（de）應用。基於此材料的高效散熱（rè）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（dé）到較好的解決（jué），提（tí）高器件的可靠性以及穩定性，提高國家的前（qián）沿技術競爭力以及產業水平。