芯片三维集成的“风口”之下，金刚石凭啥备受瞩目？

       12月5-7日，由DT新材料主办的第八届国际碳材料大会暨产业展览会（Carbontech 2024）将在上海新国际博览中心隆重举办。同期针对半导体与加工主题特设4大论坛，宽禁带半导体及创新应用论坛、超硬材料与超精密加工论坛、金刚石前沿应用与产业发展论坛、培育钻石论坛，已邀请国内外知名专家和企业莅临交流，欢迎报名。

       随着第三代半导体的发展，电子器件向着高功率、小型化、集成化方向发展，器件的散热问题已经成为关键，传统散热技术已难以满足第三代半导体器件高热流的散热要求，由此带来的温度堆积问题成为产业亟待解决的问题。

       据国际半导体技术蓝图（ITRS）相关预测，到2020年，集成电路功率密度将增加至100W/cm2，而实际情况已大大超出预期，电子芯片的热流密度已超500W/cm2，热点处更是高达1000W/cm2。由于传统散热材料/器件散热能力的不足，第三代半导体器件只能发挥其理论性能的20%-30%。

       金刚石基材料被称为“**”散热材料，是大功率电子器件、半导体芯片、5G 通信、T/R 组件等器件的关键散热材料。从上图可以看出，金刚石的热导率*高，同时迁移率和击穿电场也高，因此也可以作为热沉材料。   

       制备方法

       制备方法有化学气相沉积（CVD）方法和高温高压HTHP法。

       优缺点：高温高压（HTHP）法合成的金刚石晶粒尺寸较小，限制了其在大面积散热领域的应用；而 CVD 法能够合成尺寸较大的金刚石散热片，主要是CVD法。

       CVD法：包括热丝化学气相沉积法、直流等离子体喷射化学气相沉积法和微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)。其中微波等离子体化学气相沉积法，具有微波能量无污染和气体原料纯净等优势，在众多金刚石制备方法中脱颖而出，成为制备大尺寸和高品质多晶金刚石*有发展前景的技术。   

       金刚石散热应用

       金刚石与半导体器件的应用，一是采用直接沉积，二是采用键合的方法。直接沉积，由于存在晶格失配严重，沉积较为困难，有采用MBE或者MOCVD来进行沉积。如下图，在GaN背面沉积外延层25um的金刚石层，制备出高效散热的AlGaN/GaN HEMT器件。

       GaN 背面生长金刚石  图源：公开网络

低温键合工艺  图源：公开网络

       金刚石作为热沉材料，应用在半导体激光器中，通过磁控溅射系统在CVD金刚石热沉片表面沉积 Ti/Pt/Au多层膜，作为金属化层。通过电子束蒸发系统沉积10um厚的In膜，作为半导体激光器封装焊料层。如下图，采用高精度贴片机，以COS（chip on submount）结构将半导体激光器线阵贴片于金刚石热沉表面，并贴片于铜基水冷热沉。

金刚石作为热沉材料  图源：公开网络   

       发展趋势

       金刚石基材料具有具有独特的物理和化学性质，如高热导率、高磨损性、高化学稳定性，在高功率半导体器件、光电器件、能源、航空航天具有广泛的应用。基于此材料的高效散热技术有望解决高热流散热难题，我们期待器件的散热问题能够得到较好的解决，提高器件的可靠性以及稳定性，提高国家的前沿技术竞争力以及产业水平。