复旦大学：用多晶金刚石解决三代半导体散热难题

氮化镓（GaN）与碳化硅（SiC）凭借高击穿电场、高电子迁移率等优异性能，已广泛应用于 5G/6G 通信、新能源汽车、雷达等关键领域。但随着器件功率密度不断提升、尺寸持续微型化，自热效应已成为制约其性能的主要瓶颈。采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）制备的多晶金刚石（PCD），因具备超高热导率且与半导体工艺兼容性良好，被视作高性能散热材料中极具潜力的选择。然而，金刚石与第三代半导体材料在热膨胀系数、晶体结构上存在显著失配，给 PCD 异质外延生长带来巨大挑战，尤其会影响金刚石导热性能，并增大半导体与金刚石界面间的界面热阻。

近日，复旦大学桑立雯研究团队系统综述了利用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD） 技术在 GaN、SiC 衬底上异质外延多晶金刚石用于热管理的最新研究进展。文章重点围绕 MPCVD 法在 GaN 与 SiC 上外延生长 PCD 的过程展开，指出金刚石与 GaN/SiC 之间存在 12%~35% 的晶格失配，同时热膨胀系数差异显著，这直接造成 PCD 热导率下降、界面热阻（TBR）上升。

团队系统总结了成核工艺优化、介电中间层引入、生长参数调控、衬底图案化、低温生长等多种改性策略，并明确了各类方法的量化提升效果，为 PCD 作为第三代半导体高效散热层的应用构建了完整技术路线。相关成果以 “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]。

碳方程作为专注于 MPCVD 技术研发与设备制造的高新技术企业，其系列化 MPCVD 设备可为上述研究成果的产业化落地提供关键硬件支撑。 以碳方程 TFC-50200A MPCVD 设备为例

碳方程推出的915MHz 系列 MPCVD 设备（TFC-50200A），采用915MHz 微波频率与 50KW 运行功率，单炉可稳定产出 489 片 7*7mm 规格的单晶金刚石，或直接生产 8 英寸多晶金刚石产品，不仅沉积面积扩展至 210 毫米，还支持 24*7 不间断无人值守生产，故障率低且产品净度达 VVS 级，在大尺寸、高品质与低成本之间实现完美平衡。