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

       隨著第三代半導體的發展，電子器件向著高功率、小型化、集成化方向發展，器件的散熱問題已經成為關鍵，傳統散熱技術已難以滿足第三代半導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業亟待解決的問題。

       據國際半導體技術藍圖（ITRS）相關預測，到2020年，集成電路功率密度將增加至100W/cm2，而實際情況已大大超出預期，電子芯片的熱流密度已超500W/cm2，熱點處更是高達1000W/cm2。由于傳統散熱材料/器件散熱能力的不足，第三代半導體器件只能發揮其理論性能的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、半導體芯片、5G 通信、T/R 組件等器件的關鍵散熱材料。從上圖可以看出，金剛石的熱導率最高，同時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

       制備方法有化學氣相沉積（CVD）方法和高溫高壓HTHP法。

       優缺點：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域的應用；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：包括熱絲化學氣相沉積法、直流等離子體噴射化學氣相沉積法和微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)。其中微波等離子體化學氣相沉積法，具有微波能量無污染和氣體原料純凈等優勢，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多晶金剛石最有發展前景的技術。   

       金剛石散熱應用

       金剛石與半導體器件的應用，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重，沉積較為困難，有采用MBE或者MOCVD來進行沉積。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：公開網絡

低溫鍵合工藝  圖源：公開網絡

       金剛石作為熱沉材料，應用在半導體激光器中，通過磁控濺射系統在CVD金剛石熱沉片表面沉積 Ti/Pt/Au多層膜，作為金屬化層。通過電子束蒸發系統沉積10um厚的In膜，作為半導體激光器封裝焊料層。如下圖，采用高精度貼片機，以COS（chip on submount）結構將半導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：公開網絡   

       發展趨勢

       金剛石基材料具有具有獨特的物理和化學性質，如高熱導率、高磨損性、高化學穩定性，在高功率半導體器件、光電器件、能源、航空航天具有廣泛的應用。基于此材料的高效散熱技術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定性，提高國家的前沿技術競爭力以及產業水平。