芯片三維集成的“風口”之下，金剛石憑（píng）啥備受矚目？

       12月5-7日，由DT新（xīn）材料主辦的（de）第八屆國際碳材料大會暨產業展覽會（Carbontech 2024）將在上海（hǎi）新國際博覽中心隆重舉辦。同期針對半導體與加工主題特設4大論壇，寬（kuān）禁帶半導（dǎo）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（yè）發展論壇、培育鑽石論壇，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，電子（zǐ）器件向著高（gāo）功率、小型化、集成（chéng）化方向發展，器件的散熱問題已經成為關（guān）鍵（jiàn），傳統散熱技術已難以滿足第三代半導體器件高熱流的散（sàn）熱（rè）要求（qiú），由此帶（dài）來的溫度堆積問題成為產業（yè）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（jí）成（chéng）電路功率密度將增加至100W/cm2，而實際情況已大大（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。由於傳統散熱材料/器件散熱能力的不足，第三代半導體（tǐ）器件隻能發揮其（qí）理論性能的20%-30%。

       金剛石基材料被稱為“**”散熱材（cái）料，是大功率電子器件、半導（dǎo）體芯（xīn）片、5G 通信、T/R 組件等器件的關鍵散熱材料。從上圖可以看（kàn）出，金剛石的熱導率*高，同時遷（qiān）移率和擊穿電場也高，因此也可以作（zuò）為熱（rè）沉材料。   

       製備方法

       製（zhì）備方法有化學氣（qì）相沉積（CVD）方法和（hé）高（gāo）溫高壓HTHP法。

       優缺點：高溫（wēn）高壓（HTHP）法合成的金剛石晶粒尺寸較小，限製了其在大麵積（jī）散熱領域的應用；而 CVD 法（fǎ）能夠合成尺寸較（jiào）大的金剛石散熱（rè）片，主要是（shì）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（wēi）波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)。其中（zhōng）微波等離子（zǐ）體化學氣相沉積法，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（fāng）法中脫穎而出，成為製備大尺（chǐ）寸和高品（pǐn）質多晶金剛石*有發展前景的技術。   

       金剛石散（sàn）熱應用（yòng）

       金剛石（shí）與半導體（tǐ）器件的應用，一是采（cǎi）用直接沉（chén）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，沉積較為困難，有（yǒu）采用MBE或（huò）者MOCVD來進行（háng）沉積。如下圖，在GaN背麵沉積外延層25um的金剛石層，製（zhì）備出高（gāo）效散熱的AlGaN/GaN HEMT器件。

       GaN 背麵生長金剛石  圖源：公開網絡

低溫鍵（jiàn）合工藝  圖源：公開網（wǎng）絡

       金剛石（shí）作為（wéi）熱沉材料，應用在半導體激光器中，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（diàn）子束蒸發係（xì）統沉積10um厚（hòu）的In膜，作為半導體激光器封裝焊料層。如下圖，采用（yòng）高精（jīng）度貼片機，以COS（chip on submount）結構將半導體激光（guāng）器線陣貼片於金剛石熱沉表（biǎo）麵，並（bìng）貼片於銅基（jī）水冷熱沉。

金剛石作（zuò）為熱沉材（cái）料  圖源：公開網絡   

       發展趨勢

       金剛石基材（cái）料具（jù）有具有獨特的物理和化（huà）學性質，如高（gāo）熱導率、高磨損性、高化學穩定性，在高功率半導體（tǐ）器件（jiàn）、光電器件、能源、航空航（háng）天具有廣泛的（de）應用。基於此材料的高效散（sàn）熱技術有望解（jiě）決高熱流散熱難（nán）題，我們期待器件的（de）散熱（rè）問題（tí）能夠得到較好（hǎo）的（de）解決，提高（gāo）器件的（de）可靠性以及穩定性，提高國家的前沿（yán）技術競爭力以（yǐ）及產業水平。