芯片三維集成的“風口”之下，金剛石憑啥備受矚目？

       12月5-7日，由DT新材料主辦的第八屆國際碳材料大（dà）會暨產（chǎn）業展覽會（huì）（Carbontech 2024）將在上海新國際博覽（lǎn）中心隆重舉辦。同期針對半導體與加工主（zhǔ）題特設4大論壇，寬禁帶半導體及創（chuàng）新應用（yòng）論壇、超硬材料與超精密加工論壇、金剛石前沿應用（yòng）與產業發展論壇、培育鑽（zuàn）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，電子器件（jiàn）向著高功率、小型化、集成化方向（xiàng）發展，器件的散熱問題已經成為關鍵，傳統散（sàn）熱技術已難以滿足第三代半導體器件（jiàn）高熱流的散熱要求，由此帶來的溫度（dù）堆積問題成為產業亟待解決的問題。

       據（jù）國際半導體技術藍圖（ITRS）相關預測（cè），到2020年，集（jí）成電路功（gōng）率密（mì）度將增（zēng）加至100W/cm2，而實際情況（kuàng）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，第三代半導體器（qì）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，因此也可以作為熱沉材料。   

       製備方法

       製備方法有化學氣（qì）相沉積（CVD）方法和高溫高壓HTHP法。

       優缺點（diǎn）：高溫高壓（HTHP）法合成的金剛石晶粒尺寸較小，限（xiàn）製了（le）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（shí）散熱片（piàn），主要是CVD法。

       CVD法：包括熱絲化學氣相沉積法、直流等（děng）離子體噴射化學氣（qì）相沉積法和微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)。其中微波等（děng）離子（zǐ）體化（huà）學氣（qì）相沉積法，具有微波能量（liàng）無汙（wū）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（ér）出，成為製備大尺寸和高（gāo）品質多晶金剛石*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，一是采用（yòng）直接沉積，二是采用鍵合（hé）的方（fāng）法。直接（jiē）沉積（jī），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（háng）沉積。如下圖，在GaN背麵沉積外延層25um的金剛石層，製（zhì）備（bèi）出高效散熱的AlGaN/GaN HEMT器件。

       GaN 背麵生長（zhǎng）金剛石  圖源：公開網絡

低溫鍵（jiàn）合工藝  圖源：公開網絡

       金剛石作為熱沉材料（liào），應用在半導體激光器（qì）中，通過磁控濺射係統在CVD金剛石熱沉片（piàn）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料層。如下圖，采用高精度（dù）貼（tiē）片機，以COS（chip on submount）結構將半導體（tǐ）激光器線陣貼片於金剛石熱（rè）沉表麵，並貼片於（yú）銅基水冷熱沉。

金剛石作為熱沉材料  圖源：公開網絡   

       發展趨勢

       金剛石基材料具有具有獨（dú）特的物（wù）理和化學性質，如高熱導率、高磨損性、高化學穩定（dìng）性，在高功率半導體器件、光電器件、能（néng）源、航空航天具有廣泛的應（yīng）用。基於（yú）此材料的高效散熱（rè）技術有望解決高熱流（liú）散熱難題，我們期待器（qì）件的散熱問題能夠得到較好的解決，提高器件的可靠（kào）性以及穩定（dìng）性，提高國家的前沿技術競爭力以及產業水（shuǐ）平（píng）。