芯片三維集成的“風口（kǒu）”之下，金剛石憑啥備受矚目？

       12月5-7日（rì），由DT新材料主辦的第八屆（jiè）國際碳材料大會暨產（chǎn）業展覽會（huì）（Carbontech 2024）將在上（shàng）海新國（guó）際博覽中心隆重（chóng）舉（jǔ）辦。同期針對（duì）半導體與加工（gōng）主（zhǔ）題（tí）特設4大論壇，寬（kuān）禁帶半導體及（jí）創新應用論壇、超硬材料與超（chāo）精密加工論壇、金剛石前沿應（yīng）用與產業發展論壇（tán）、培育鑽石論壇，已邀請國內外知名專家和企（qǐ）業蒞臨交流，歡迎報名。

       隨著第三代半導體的發（fā）展，電子器件向著高功率、小型化、集成化方向發展，器件的散熱問題（tí）已經成為關（guān）鍵，傳統散熱技術已難以滿足第三代半導體器件高熱流的散熱要求，由此帶來的溫度堆積問題成（chéng）為產業亟待解決的問（wèn）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（lǜ）密度將增加至100W/cm2，而實際情況已（yǐ）大大超出預期，電子（zǐ）芯片的熱流密度已超500W/cm2，熱點處更是高達1000W/cm2。由於傳統（tǒng）散熱材料/器件（jiàn）散（sàn）熱能力的不足，第（dì）三代半導（dǎo）體器件隻（zhī）能發揮其理論性能的20%-30%。

       金剛石基材料被（bèi）稱為“**”散熱材料（liào），是大功率（lǜ）電子器件、半（bàn）導體（tǐ）芯片、5G 通信、T/R 組件等器件的關鍵散熱材料。從（cóng）上圖可以看出，金剛石的熱導率*高，同時遷移率（lǜ）和擊穿電場（chǎng）也高，因此也可以（yǐ）作為熱沉材料。   

       製（zhì）備方法

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

       優缺點：高溫高壓（HTHP）法合成的金剛石晶（jīng）粒尺寸較小，限（xiàn）製了其在大麵（miàn）積散熱領域的應用；而 CVD 法能夠合成尺寸較大的金剛（gāng）石散熱片，主要是CVD法。

       CVD法：包括熱絲化學氣相沉（chén）積法、直流等離子體噴射化學氣相沉（chén）積法和（hé）微（wēi）波（bō）等（děng）離子體化學氣相沉積法(MPCVD)。其中微波等離子體（tǐ）化學氣相（xiàng）沉積法，具有微波能量無汙染和氣體原料純淨等（děng）優勢，在眾多（duō）金剛石製（zhì）備方法中脫穎（yǐng）而出，成為製備大尺寸和高品（pǐn）質多（duō）晶金剛石*有發展前（qián）景的技術。   

       金剛石散熱應用

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

       GaN 背麵生長金剛（gāng）石  圖源（yuán）：公（gōng）開網絡

低（dī）溫鍵合工（gōng）藝  圖源：公開網絡

       金剛石作為熱沉材料，應用在半導體激光器中，通過磁控濺射係統在CVD金剛石熱（rè）沉片表麵沉積 Ti/Pt/Au多層膜，作為金屬化（huà）層。通過電（diàn）子束蒸（zhēng）發係統（tǒng）沉積10um厚的In膜，作為半導體激光器封裝焊料層。如下（xià）圖，采用高精度貼（tiē）片機，以COS（chip on submount）結構將半導體激光器（qì）線陣貼片於金剛石熱沉表麵，並（bìng）貼片於銅基水冷熱沉。

金剛石作為熱沉材料  圖源：公開網（wǎng）絡   

       發展趨（qū）勢

       金剛石基材料具有具有獨特的物理（lǐ）和化學性質，如高（gāo）熱導率（lǜ）、高磨損性、高化（huà）學穩定性，在高功率半導體（tǐ）器（qì）件、光電器件（jiàn）、能源、航（háng）空航天（tiān）具有廣泛（fàn）的應用。基於（yú）此材料的高效散熱（rè）技（jì）術有望解決高熱流散熱（rè）難題，我們期待器件的散熱問題能夠得到較好的解決，提（tí）高器件的可靠性以及穩定性，提高國家的前沿技術競爭力（lì）以及產業水平。