微波等离子体化学气相沉积法合成高导热金刚石材料及器件应用进展

随着5G时代的兴起，，由于材料特性所限，
，第 1 代(Si 等)、、、、第 2 代(GaAs 等)半导体材料器件性能无法满足输出功率等的要求
，，，
，以 GaN、、、、SiC 为代表的第 3 代半导体的研究又被推到了新的高度。
。。但随着功率密度的提升，
，随之而来的热效应剧烈增加
，，已经成为制约 GaN 基半导体器件发展最重要的瓶颈，，因此对新的散热材料提出了新需求：器件热量密度不均匀，，，，需要更高的导热性能进行均温；热量密度提升，，需要更优的主动散热方式带走热量。。。。

传统散热材料以金属及合金、
、、陶瓷材料等为主，，，金属材料有着较高的热导率，，但在封装过程中存在导电的风险；而陶瓷材料绝缘性好，，，，强度高，，，但热导率较差，，随着装备小型化
、、轻量化的要求
，，
，，以热导率/密度(λ/ρ)的比值成为评判材料散热性能的新参数。。以 Kovar、
、Invar
、
、氧化铝为代表的材料低于 10 W·cm3/(m·K·g)，，，一般作为密封及结构材料
，，
，热性能较差；传统散热材料其 λ/ρ 所处区间一般为 10~100 W·cm3/(m·K·g)
，，，如金属铜、、、银、、、部分合金及 SiC 等，，，，但随着半导体器件的跨代发展，
，，对散热材料的需求也急剧提升，
，，
，λ/ρ 达到铜 10 倍以上的金刚石材料逐渐崭露头角，，，，有着轻质高强、、、超高热导率
、、、绝缘性好等其他材料难以企及的优势，，，，受到了学术界和产业界的广泛关注。。。

                        图1  各种散热材料的特性对比

MPCVD设备的研究现状：

于1983 年由 Kamo 等提出，，，，其基本原理是将磁控管产生的 2.45 GHz微波经矩形波导管导入石英管中，，，，H2、、、CH4 混合气体在强电场作用下发生解离，，分解为原子氢、、、甲基等 20 余中不同碳氢基团，，，，根据 Harris 和 Goodwin 提出的生长模型，，仅原子氢及甲基是直接参与金刚石生长，，扩散至基体表面形核及生长，，从而实现金刚石薄膜的沉积，，其所使用的功率和气压较低(300~700 W
、
、1~8 kPa)
，，
，因此金刚石生长速率一般不足 3 μm/h，
，，远不足以达到产业化批量生产及应用的要求。。

接着，，，为进一步提高金刚石品质和生长速率，，，
，又发展出了多种形式的 MPCVD 金刚石生长系统
，
，，根据沉积腔体的结构可分为：石英钟罩式、、、、圆柱金属谐振腔式、、环形天线(CAP)式、、椭球谐振腔式以及一些其他类似的结构形式，，其中，，，，圆柱金属谐振腔式 MPCVD 沉积腔体为带水冷的不锈钢夹层，，，，与石英钟罩式 MPCVD 系统相比，，，，允许更高的微波功率输入，，，但 2 者均存在等离子体刻蚀石英，，，导致金刚石膜中存在 Si 杂质污染的问题。。。。

国内北京科技大学
、、武汉工程大学、、、
、西安交通大学等单位均开展了 MPCVD 金刚石化学气相沉积系统的研制工作
，
，
，，并进行了金刚石生长制备，
，，近年来优化了能量密度及均匀性，
，，，但部分设备仍存在石英刻蚀、、、、控温困难等限制高品质金刚石沉积的关键问题
。
。

哈尔滨工业大学朱嘉琦教授团队采用多目标协同设计的微波谐振腔优化方法，，综合考虑等离子体均匀性与高密度，，，对微波传输与等离子体激发进行系统设计优化
，，，，设计微波传输–散热一体化结构解决控温难题，
，实现电子密度>2×1017 m-3的等离子体稳定激发的金刚石生长系统，，，在保证等离子体高能量密度的均匀分布的前提下扩大沉积尺寸，
，，
，解决了晶圆级单晶金刚石生长的基础设备问题。。。

                            图2  MPCVD设备

 金刚石散热材料应用进展：

金刚石是金刚石材料体系中热导率最高的，，，，这与其晶体结构密切相关，
，
，碳原子由高强度 sp3 共价键相连，，是典型的共价键晶体，，
，
，主要通过晶格振动即声子导热，
，，，而晶体热导率由热容、
、、、声子平均自由程
、
、、声子速度决定
。。
。金刚石晶格非谐振动弱
，
，声子平均自由程长
；Debye 温度高，，
，
，声子速度快
，，，
，因此金刚石热导率极高
。。而在实际应用中热阻也是与热导率同样重要的参数，
，，代表着热量传递过程中受到的阻碍，，，，是热导的倒数。。。绝对热阻是单位时间内当有单位热量通过物体时，，物体两端的温度差，
，，而由于 2 种材料连接的界面晶格中断，
，，热载流子无法全部导致产生温差形成的热阻即为界面热阻。。

哈尔滨工业大学近年来与俄罗斯科学院合作，，，制备单晶金刚石热导率达 2400 W/m·K，，并对 mosaic 拼接单晶金刚石的界面热阻进行了分析(图 2)。。。。单晶金刚石用作散热主要有 2 种方式，，一种是直接用作替代外延衬底，，原位生长材料制备器件，
，通过器件有源区与金刚石紧密接触利用金刚石超高的热导率将热量均匀分布到衬底中；另一种是在单晶金刚石结构中加入微通道结构，，，利用流体将内部热量带出，，，，达到降温的目的。。。2 种方法各有优劣，，近些年发展较快。。。。

                          图3  金刚石热导率与温度的变化

Hirama 等在 Ib 型金刚石表面同样制作了 3 μm 栅长的金刚石基高电子迁移率晶体管(HEMTs)，，电流密度 0.22 A/mm，
，，
，截止频率 3 GHz，
，最高振荡频率 7 GHz，，此外，
，，
，由于金刚石优异的导热性能，，器件热阻首次降低到 4.1 K·mm/W，，相比传统 SiC 衬底的 7.9 K·mm/W 大大降低
，，2 W 功率下器件温度降低了 10℃。
。。。次年，
，，作者制备栅长0.4 μm HEMT 器件电流密度提升至 0.77 A/mm，，首次实现金刚石基 HEMTs 功率输出，，，1 GHz 时功率密度 2.13 W/mm，
，，采用热导率更高的 IIa 型金刚石，
，，将热阻进一步降低至 1.5 K·mm/W。。。

               图4 金刚石及 SiC 基 GaN HEMTs 器件性能对比测试

2021 年该课题组又完成异质外延金刚石(001)晶面上 GaN 纳米线的制备，
，推动了大尺寸产业化金刚石基高频高功率器件的应用发展。。。但是，，，，单晶金刚石基器件仍面临着外延层晶格常数及热膨胀系数差距大，，
，，单晶衬底难以大尺寸批量制备
，，
，以及成本过高等难题.

                     图 5 (111)面金刚石基 GaN 纳米线

尊龙时凯则采用最先进的 MPCVD装置，，，制备大面积高品质金刚石膜，，，，具有高厚度均匀性和高生长速率以及采用研磨抛光专用设备
，，
，使金刚石热沉片热导率达1000-2000W/m.k，，，CVD金刚石生长面表面粗糙度 Ra < 1 nm
，，呈镜状光泽
。
。。。完全符合金刚石作为电子元件，，，
，需具备的极低的表面粗糙度和极高的面型精度，
，，，从而增大接触面积
，
，提高其散热效率。。。
。