研究前沿|金刚石的散热研究

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 sp 3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 1)。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。

图1 金刚石热导率随温度变化示意图

1.金刚石衬底外延器件

单晶金刚石表面外延器件是随着分子束外延技术(MBE)和金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)的发展而兴起。2009 年，研究人员利用 MBE 方法在单晶金刚石的(111)面异质外延了单晶 GaN，表面粗糙度可达 1.3 nm，光致发光谱测试光学性能良好，开辟了外延 GaN 器件的新道路。次年，在单晶金刚石(111)面通过 AlN 过渡层制备了GaN 粗糙度降低到 0.6 nm，在其表面又制备了高迁移率的Al0.28Ga0.72N/GaN 二维电子气材料，室温电子迁移率可达 750 cm 2 /(V·s)，为金刚石衬底器件制备奠定基础。同年，相关专家也制备了迁移率类似的材料体系，以此制作了 0.2 μm 栅长器件，电流密度可达 0.73 A/mm。接着，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，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2  金刚石(111)面生长 AlGaN/GaN HEMT 示意图

将 GaN 纳米线生长于单晶金刚石(111)表面，在不使用催化剂及缓冲层的条件下，实现自组装生长过程，并展现出与当时最先进的Si 基 GaN 纳米线相近的性能，为金刚石与 n 型氮化物的结合应用奠定基础。，在已形成自组装及区域选择性生长 2 种完善的金刚石表面 GaN纳米线制备方法的基础上，完成了 p 型金刚石和 n 型 GaN 纳米线异质二极管的制备，具有良好的整流特性和电致发光特性。2021 年该课题组又完成异质外延单晶金刚石(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，待异质外延单晶金刚石质量及产能突破后发展潜力巨大。

图 3 金刚石及 SiC 基 GaN HEMTs 器件性能对比测试

金刚石微通道散热

专家提出了微流道热沉的设计理念，可以通过周期性改善流动混合以及通过产生二次流来增加湍流率来提高传热系数。高热流密度器件采用金刚石衬底，提升面内均热效果，结合微流道，将热量更快导出，必然将带来更高的散热效率，然而由于金刚石难以加工，一直以来金刚石微流道散热研究进展较为缓慢。随着飞秒激光的发展，利用 800 nm 波长的飞秒激光在金刚石表面加工出40 nm宽，500 nm深，长0.3mm的微槽，并且该结构仍然保持原本金刚石成分。2013年，Su 等采用1 026 nm 波长的 Yb:YAG 激光在金刚石表面制备了约 410 nm 深的微流道，证明了单晶金刚石表面微流道制备的可行性，相比于传统聚焦离子束(FIB)和反应离子刻蚀(RIE)方法，激光加工金刚石可以更快更方便地加工三维结构。基于脉冲 Bessel 光束激光加工单晶金刚石，调节激光能量和写入速度，控制了微槽的表面粗糙度等参数，对微通道内部微流体控制提供了极大帮助。

紧接着，采用的金属掩膜过渡生长的方法，在金刚石表面利用金属制备掩膜版，金刚石生长过程中会产生横向外延过程(ELO)覆盖金属掩膜，从而形成金刚石槽道。Fu 等采用金属钨和 ELO 过程制备微流道并通水实验，微流道截面尺寸 10 μm×1 μm，但由于 ELO 生长表面闭合过程，微流道截面呈 T 字形，影响其流动特性。次年，结合电感耦合等离子体(ICP)方法，增加了金刚石微流道深度，可达 20 μm 以上，为金刚石微通道的应用更进一步。崔健磊教授团队，采用纳秒、飞秒激光对多晶金刚石的加工进行了深入研究，系统研究了激光能量、扫描速率、扫描次数、焦点位置等参量及其优化工艺参数对金刚石微槽尺寸的影响规律，对激光烧蚀阈值进行了预测及实验，加工出侧壁锥度 3°内的高质量金刚石微流道。为进一步提升散热性能，将其激光加工方式推广至单晶金刚石，与哈尔滨工业大学及中国电科 38 所合作，开发应用于雷达功率组件的单晶金刚石微流道散散热器，热流密度可达1.38 kW/cm2，远远优于传统多晶金刚石微流道散热达到的 267 W/cm2及 473.9~1 000.4W/cm2。这对中国雷达组件、高能数据中心等超高热流密度应用场景发展有着极大推进作用。

图 4  (111)面金刚石基 GaN 纳米线

图 5 未切割金刚石及微流道显微形貌

凯发k8国际是一家专注于第三代（宽禁带）半导体衬底材料和器件研发和生产的高科技企业。我们致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料和器件公司，通过不断的产品研发和技术创新，为破解“卡脖子”难题和推动科技的发展和进步贡献力量。现有核心产品晶圆级金刚石（Ra＜1nm）、金刚石热沉片、金刚石基氮化镓外延片、金刚石基氮化铝薄膜等，其中金刚石热沉片的热导率高达1000-2000W/m.k。目前，采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信，在RF功率放大器、激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。