散热最强王者——金刚石热沉片在功率器件的应用

在后摩尔时代，碳基电子学的发展受到人们的广泛关注，在纳电子学领域，以一维的碳纳米管和二维的石墨烯为主的碳基纳电子学研究取得重大进展，而在功率电子学领域，以终结半导体著称的金刚石功率电子学的研究也呈现出勃勃生机，展现出其将成为下一代功率电子学的潜力。

金刚石是一种性能优异超宽禁带半导体材料，其禁带宽度为5.5 eV，比GaN、SiC等宽禁带半导体材料还要大。如下表所示，金刚石禁带宽度是Si的5倍；载流子迁移率也是Si材料的3倍，理论上金刚石的载流子迁移率比现有的宽禁带半导体材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同时，金刚石在室温下有极低的本征载流子浓度。并且，除了最高硬度以外，金刚石还具有半导体材料中最高的热导率，为AlN的7.5倍，基于这些优异的性能参数，金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，被业界誉为“终极半导体”，目前广泛用于大功率电力电子器件。

功率二极管：近 10 年来， CVD 金刚石材料在大尺寸、低缺陷和重掺杂等方面的进展直接带动了金刚石二极管向着高击穿电压、高击穿场强、低导通电阻、高开关速率和高温工作的方向发展， SBD 和 p-n 结二极管两种类型均在开发， 其中金刚石 SBD 发展更快，已处于初步的应用实验阶段。

金刚石二极管和晶体管击穿电压较低 ( 小于500 V) 的主要原因是难以控制金刚石中的掺杂物质。金刚石是地球中原子密度最高的材料， 除少数小原子 H、P、N 和 Si 元素等， 很难将其他大原子加入其晶体中。

金刚石上 GaN HEMT：金刚石的原子之间共价键极强，使刚性结构具有高振动频率，其德拜特征温度高达 2200 K， 声子散射较小，因此以声子为媒介的热传导的阻力极小，其热导率是铜的5倍，高达 2000 W/( m·K) 。宽禁带半导体 GaN 微波电子学经过近二十年发展已成为当前的主流， 其热管理的问题已成为其进一步发展的主要障碍， 为此超宽禁带金刚石的导热优势和 GaN 技术相结合成为发展下一代 GaN 微波电子学的必然， 同时也为正在发展的 Ga2O3电子器件等的热学管理提供参考。金刚石材料可以作为功率电子器件的热学管理的材料，并且向着大尺寸、低界面热阻、高导热等方向发展。

功率晶体管与逻辑电路

金刚石晶体管在功率电子学和微波电子学两大领域均有进展。在功率电子学领域向高击穿电压、高击穿场强、高温工作、低导通电阻、高开关速率和常关器件的方向发展。金刚石晶体管以各类 FET为主，包括金属半导体场效应晶体管 ( MESFET) 、MOSFET 和 JFET 等，其沟道有两种: 金刚石氢终端表面二维空穴气和 p 型掺杂层。随着 n 型掺杂材料的进步， 开始出现双极型金刚石器件，近期还研发出异质结双极晶体管。在微波电子学领域以氢终端 FET 为主， 并且向高 fT /fmax 和高功率密度方向发展。

金刚石 MESFET采用肖特基势垒来调制和控制沟道，近几年的技术进步有: 宽栅漏间距和轻掺 p沟道相结合，栅源间距缩小的效应研究，通过了14.8 MeV中子辐照实验， 较高的掺硼浓度和良好的表面外延沟道层工艺，掺硼金刚石 MESFET 的高温退火。

金刚石 MOSFET 是研究最广泛的金刚石晶体管， 其采用 MOS 栅控制结构可抑制栅极的泄漏电流。近几年，金刚石 MOSFFT 以氢终端沟道器件为主，突破了高度稳定的 Al2O3栅氧化层结构等一系列关键技术。对于工作在高电压和高温下功率器件的应用，比表面沟道 器件更加稳定的金刚石体沟道器件JFET更具优越性。

金刚石BJT是主要的功率开关器件之一。由于金刚石基 BJT 与氢终端金刚石 FET 相比， 没有栅介质层、氢终端表面电导率以及可实现少数载流子注入的电导调制效应， 导致其导通电阻可能更低。功率 BJT的关键参数是共发射极电流的放大系数，与金刚石FET 相比，其可实现电流放大， 以减小驱动电路的功率要求。

金刚石逻辑电路：开发金刚石逻辑电路是发展金刚石IC的第一步，随着增强型金刚石 MISFET的发展，带动了金刚石逻辑电路的研发。

射频 FET：金刚石具有高热导率、高击穿场强和高载流子饱和速度等半导体特性，为此，金刚石的高频、大功率器件也是金刚石电子学的研究热点之一。

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