金刚石热沉：多晶金刚石 - 半导体键合技术破解高功率电子设备热瓶颈

在当今的电子设备领域，，高功率、、、、高频的半导体器件如GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）正变得越来越重要。。它们被广泛应用于雷达系统、、、卫星通信
、
、5G基站、、、可再生能源、、
、电动汽车等领域。。。然而，，，
，随着设备功率密度的不断提高，，
，散热问题成为了制约其性能和可靠性的关键瓶颈。。
。GaN HEMT器件在运行过程中会产生局部热流密度，，，
，这些热流密度可能比太阳表面还要高一个数量级，，这不仅会降低设备的性能，，还会缩短其使用寿命
。
。。因此，，，如何有效散热成为了亟待解决的问题。。

金刚石作为一种天然材料，，，拥有最高的热导率，，被认为是理想的散热基底材料。。。。然而，，，，将金刚石与半导体材料进行有效集成一直是一个巨大的挑战。。。。目前，，，主要有两种方法：金刚石沉积和金刚石键合
。。。。金刚石沉积方法虽然能够成功制备出4英寸的GaN-on-Diamond晶圆，，，，但由于在SiN介质层上沉积的金刚石晶体质量较低
，
，，
，导致其热导率受限。。而金刚石键合方法则提供了更大的灵活性，，，可以通过优化界面特性来降低热边界电阻。。。

本文的核心内容是关于如何将多晶金刚石（PCD）与3C-SiC直接集成
，，，，以增强GaN HEMT的热管理能力。。。研究团队通过一种先进的键合技术，，
，，成功地将 PCD与3C-SiC在室温下直接键合，，，
，并在2英寸的PCD晶圆上实现了GaN HEMT的集成。。
。。这一成果不仅克服了PCD表面粗糙度高的难题（表面粗糙度为2.48 nm），，，还通过退火处理将界面处的非晶层转化为多晶SiC层，，，，且在这一过程中没有出现裂纹或分离现象。。

如图所示，，，，详细描述了AlGaN/GaN/3C-SiC层的转移过程以及在2英寸PCD晶圆上GaN HEMT的制备步骤。。

在实验过程中，，，，研究人员首先在6英寸的 Czochralski（Cz）-Si（111）晶圆上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长了HEMT异质结构，，包括 AlGaN/GaN/3C-SiC等多层结构。。。。随后，，，通过化学机械抛光和氟酸刻蚀等步骤，，将3C-SiC层与PCD晶圆进行键合
。。键合过程中，，使用了表面活化键合（SAB）方法，，
，，并通过氩快原子束（FAB）对PCD和3C-SiC的生长表面进行同时辐照，，以实现高质量的键合。
。。。

研究结果显示，，
，，PCD的生长表面热导率高于单晶金刚石（SCD）
，，但在GaN HEMT上，，
，PCD的热阻（RTH）却比SCD高出27%。
。。这一现象归因于 PCD 核化表面上较小的晶粒尺寸导致的声子散射。
。
。。通过去除细晶粒核化层，，，可以显著增强散热效果。。。此外，，，通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析，，
，，研究人员发现，，，，在1100°C退火后，，
，，界面处形成了约13 nm厚的多晶SiC层
，，
，且界面结构完整
，
，，没有出现裂纹或分离现象。。。。

该研究成功地实现了PCD与3C-SiC的直接键合，，这一成果不仅解决了PCD表面粗糙度高的问题
，，还为高功率电子设备的散热提供了一种新的解决方案。。通过优化晶粒尺寸和界面工程，，可以进一步降低声子散射，
，提高热传输效率，，，，从而充分发挥PCD在下一代高功率电子设备中的散热优势。。。

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