金刚石为什么是激光器散热材料的“天花板”？

随着高新技术开展，光学、通信等领域的电子器件趋向小型化、集成化和高功率化，激增的热通量给器件散热带来巨大挑战，过高的温度使得电子器件寿命降低和性能失效，低温升的高效散热方案俨然成为行业内亟需解决的难题。

金刚石具有优异的导热性（室温下为Cu的5倍）和最低的热膨胀系数，其热导率可高达2200 W/(m·K)，是常用激光晶体YAG的140多倍，比同处于第四族的单晶硅也高出近13倍。金刚石内部碳原子的高原子密度和强键合特性，结合高度对称的晶格结构，使其具有高拉曼增益。极高的热稳定性也使得金刚石能够在高温、高强度的严苛工作条件下呈现优异的性能，在极大程度上克服了传统激光器存在的热效应、以及波长和输出功率难以兼顾的难题。

图1 金刚石和各种导热材料的热性能

1.金刚石作为芯片封装材料-过渡热沉

高功率半导体激光器封装对过渡热沉的要求主要有两个方面，低热阻与低热失配。过渡热沉热导率越高越可以有效地降低激光器热阻，同时需考虑芯片与热沉的热膨胀系数匹配程度，减少热失配，进而提高高功率半导体激光器输出特性。金刚石作为高功率半导体激光器封装热沉，表现出优异的散热特性：一方面将集中于器件PN结的热量能够均匀迅速的沿热沉表面扩散；另一方面将热量沿热沉垂直方向迅速导出。

图2 高功率半导体激光器结构示意图

研究表明，采用MPCVD 制备的金刚石薄膜做过渡热沉，与传统铜热沉相比，半导体激光器的光功率输出提升 25%，热阻减低 45%以上，散热优势明显。

2.金刚石作为激光器窗口片/光学晶体

金刚石具有宽光谱透射性、低热膨胀系数、高机械强度，高耐热冲击热性，低散射，高激光诱导损伤阈值，低吸收，高拉曼增益系数和高导热性等优异特性的结合，使其成为低损耗激光腔应用的首选材料，为光学应用（如激光）给予了卓越的优势。

图3金刚石晶体透射光谱范围（未镀膜）

金刚石的本征光学性质由其在深紫外的禁带宽度决定，其截止波长为 225 nm (5.47 eV)；其中在2.5 至 6 μm 间有微弱的吸收，主要由其声子带吸收决定。此外，金刚石的大禁带避免了金刚石晶体在高温下热产生的电荷载流子，因此，即使在非常高的温度和辐射强度下，金刚石仍然可以保持高透明度。

图4 基于金刚石不同的性质所报道的不同类型的光学元件

举个例子，CO2激光器是工业上常用的激光器之一，多领域应用对输出窗口的要求越来越苛刻。现在常用的窗口材料 ZnSe､GaAs会在机械应力以及热应力的作用下，发生畸变或者破碎，导致窗口失效､损坏。高功率输出要求窗口必须具有高透过性､高热导率､热稳定性以及机械强度等综合性能｡高质量 CVD 金刚石抗激光( @ 10.6 μm) 损伤峰值能量高达 66 J /cm²，峰值功率可达 12.7 MW /mm²，同时金刚石在 10.6 μm 有较高的透过率､极高的热导率和优异的机械性能，这使得金刚石几乎能完美地匹配高功率CO2激光器对窗口材料的需求｡

图5凯发k8国际圆晶级金刚石

3.金刚石异质集成方案用于GaN/ GaAs/Si芯片

基于金刚石与氮化镓结合异质集成，可以降低氮化镓（GaN）大功率器件的自加热效应，解决在高频、大功率情况下GaN基HEMT的散热问题，凯发k8国际为国内率先召开金刚石和氮化镓异质集成的厂家，现在可给予GaN on diamond 、Diamond on GaN，以及金刚石和氮化镓键合所必需的晶圆级金刚石。

此外，对于激光器领域砷化镓芯片、硅基芯片等，晶圆级金刚石用于芯片键合，可以解决激光芯片散热率低的问题，达到高效散热的效果。

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。凯发k8国际金刚石热沉片热导率高达1000-2200W/（m.k）；高性能的光学级多晶金刚石和光学级单晶金刚石，使金刚石出色的光学特性得以发挥，共同满足拉曼激光器、碟片激光器等不同客户的需求。金刚石+激光器还将被应用于更广泛的领域，凯发k8国际期待与您携手开拓更多应用，一起为激光产业开展、跃上新的台阶贡献力量！