复旦大学：用多晶金刚石解决三代半导体散热难题

 GaN 和 SiC 因其高击穿电压、高电子迁移率等优势，广泛应用于5G/6G、新能源车、雷达等领域。但随着功率密度提升和器件微型化，自热效应成为性能瓶颈。通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）合成的聚晶金刚石（PCD）因其高导热性和与半导体制造工艺的良好兼容性而被认为是高性能散热材料最有前景的候选者。然而，金刚石和第三代半导体之间热膨胀系数和晶格结构的显著失配对PCD异质外延生长提出了重大挑战，特别是对其导热性和半导体与PCD界面处的界面热阻产生了影响。

       近日，复旦大学桑立雯团队综述了利用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD） 技术在氮化镓（GaN） 和碳化硅（SiC） 上异质外延多晶金刚石（PCD） 用于热管理的最新研究进展。聚焦多晶金刚石（PCD）通过MPCVD在GaN、SiC上的异质外延生长，指出金刚石与 GaN/SiC 存在12%~35% 晶格失配、热膨胀系数（TEC）显著失配，直接导致 PCD 热导率降低、界面热阻（TBR）升高；

       系统梳理了成核工艺、介电中间层、生长参数、图案化衬底、低温生长等优化策略，明确了各手段的量化提升效果，为 PCD 成为第三代半导体高效散热层提供了完整技术路径。研究成果以“Polycrystalline diamond heteroepitaxy on the third-generation semiconductors for thermal dissipation” 为题，发表于《Materials Today Electronics》期刊。

       图1。（a）使用ND播种的示意图，其中ND覆盖整个表面，但包含许多晶界。（b）使用MD进行籽晶的示意图，这会导致表面上形成空隙并导致GaN表面的蚀刻；以及（c）两步混合晶种方法的示意图，该方法在提供接触面积的同时保护GaN表面。（d）通过两步接种法制备的金刚石-GaN界面的形态和相应的XRT图像。经爱思唯尔许可，转载自参考文献[43]。

      图2。（a）使用TTR测量在不同温度下生长的样品的TBReff、Dia/GaN。（b）不同生长温度的样品的kDiamond。（c） 给出了在740℃下生长的样品的横截面TEM图像及其相应的EDS图◦C.（e）显示了860℃下生长的样品的横截面TEM图像和（f）其相应的EDS图◦C[68]。

       图3。（a）电镀辅助缝合大面积金刚石基材的正视图和（b）后视图；（c）不同尺寸的缝合金刚石基底。

       图4。（a）-（d）显示不同甲烷浓度对界面影响的横截面SEM图像；金刚石晶粒尺寸/厚度分别与（e）压力、（f）温度和（g）时间的关系[75]。

       图5。测量了不同过渡层金属缝合金刚石基底的导热系数。

       图6。（a）金刚石GaN纳米图案的制造和退火工艺，以及（b）作为接触面积和沟槽宽度函数的热边界电阻（TBR）[61]。（c）使用晶种图案化方法在GaN基板上制造金刚石的示意图。经美国化学学会许可，转载自参考文献[80]。

       图7。（a）500℃沉积金刚石的SEM成像◦C.使用沉积在500℃的金刚石制造的器件的迁移率特性◦C在（b）线性标度、（C）半对数标度中。（d）直流和脉冲条件下装置输出特性的比较[60]。

       图8。（a）4H-SiC衬底的三种不同表面形态的示意图；（b）金刚石在SiC基底上的成核和生长机制；经爱思唯尔许可，转载自参考文献[105]。（c）纳米金刚石颗粒静电播种的示意图[108]。来源：中国超硬材料网