12月5-7日，由DT新材料主辦的第八屆國際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)（Carbontech 2024）將在上海新國際博覽中心隆重舉辦。同期針對半導(dǎo)體與加工主題特設(shè)4大論壇，寬禁帶半導(dǎo)體及創(chuàng)新應(yīng)用論壇、超硬材料與超精密加工論壇、金剛石前沿應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇、培育鉆石論壇，已邀請國內(nèi)外知名專家和企業(yè)蒞臨交流，歡迎報(bào)名。

       隨著第三代半導(dǎo)體的發(fā)展，電子器件向著高功率、小型化、集成化方向發(fā)展，器件的散熱問題已經(jīng)成為關(guān)鍵，傳統(tǒng)散熱技術(shù)已難以滿足第三代半導(dǎo)體器件高熱流的散熱要求，由此帶來的溫度堆積問題成為產(chǎn)業(yè)亟待解決的問題。

       據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）相關(guān)預(yù)測，到2020年，集成電路功率密度將增加至100W/cm2，而實(shí)際情況已大大超出預(yù)期，電子芯片的熱流密度已超500W/cm2，熱點(diǎn)處更是高達(dá)1000W/cm2。由于傳統(tǒng)散熱材料/器件散熱能力的不足，第三代半導(dǎo)體器件只能發(fā)揮其理論性能的20%-30%。

       金剛石基材料被稱為“終極”散熱材料，是大功率電子器件、半導(dǎo)體芯片、5G 通信、T/R 組件等器件的關(guān)鍵散熱材料。從上圖可以看出，金剛石的熱導(dǎo)率最高，同時(shí)遷移率和擊穿電場也高，因此也可以作為熱沉材料。   

       制備方法

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

       優(yōu)缺點(diǎn)：高溫高壓（HTHP）法合成的金剛石晶粒尺寸較小，限制了其在大面積散熱領(lǐng)域的應(yīng)用；而 CVD 法能夠合成尺寸較大的金剛石散熱片，主要是CVD法。

       CVD法：包括熱絲化學(xué)氣相沉積法、直流等離子體噴射化學(xué)氣相沉積法和微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)。其中微波等離子體化學(xué)氣相沉積法，具有微波能量無污染和氣體原料純凈等優(yōu)勢，在眾多金剛石制備方法中脫穎而出，成為制備大尺寸和高品質(zhì)多晶金剛石最有發(fā)展前景的技術(shù)。   

       金剛石散熱應(yīng)用

       金剛石與半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，一是采用直接沉積，二是采用鍵合的方法。直接沉積，由于存在晶格失配嚴(yán)重，沉積較為困難，有采用MBE或者M(jìn)OCVD來進(jìn)行沉積。如下圖，在GaN背面沉積外延層25um的金剛石層，制備出高效散熱的AlGaN/GaN HEMT器件。

       GaN 背面生長金剛石  圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

低溫鍵合工藝  圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       金剛石作為熱沉材料，應(yīng)用在半導(dǎo)體激光器中，通過磁控濺射系統(tǒng)在CVD金剛石熱沉片表面沉積 Ti/Pt/Au多層膜，作為金屬化層。通過電子束蒸發(fā)系統(tǒng)沉積10um厚的In膜，作為半導(dǎo)體激光器封裝焊料層。如下圖，采用高精度貼片機(jī)，以COS（chip on submount）結(jié)構(gòu)將半導(dǎo)體激光器線陣貼片于金剛石熱沉表面，并貼片于銅基水冷熱沉。

金剛石作為熱沉材料  圖源：公開網(wǎng)絡(luò)   

       發(fā)展趨勢

       金剛石基材料具有具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高熱導(dǎo)率、高磨損性、高化學(xué)穩(wěn)定性，在高功率半導(dǎo)體器件、光電器件、能源、航空航天具有廣泛的應(yīng)用。基于此材料的高效散熱技術(shù)有望解決高熱流散熱難題，我們期待器件的散熱問題能夠得到較好的解決，提高器件的可靠性以及穩(wěn)定性，提高國家的前沿技術(shù)競爭力以及產(chǎn)業(yè)水平。